Поскольку спрос на энергию в мире продолжает расти, разработка более эффективных и устойчивых технологий для ее генерации и хранения становится все более важной. По словам доктора Уэйда Адамса из Университета Райса, энергетика станет самой насущной проблемой, с которой столкнется человечество в ближайшие 50 лет, и нанотехнологии имеют потенциал для ее решения. [1] Нанотехнология , относительно новая область науки и техники , продемонстрировала перспективность значительного влияния на энергетическую промышленность. Нанотехнология определяется как любая технология, которая содержит частицы с одним измерением длиной менее 100 нанометров. Для масштаба, одна вирусная частица имеет ширину около 100 нанометров.
Люди в области науки и техники уже начали разрабатывать способы использования нанотехнологий для разработки потребительских товаров. Преимущества, уже наблюдаемые при проектировании этих товаров, включают повышенную эффективность освещения и отопления , увеличенную емкость хранения электроэнергии и уменьшение количества загрязнений от использования энергии. Такие преимущества делают инвестиции капитала в исследования и разработки нанотехнологий главным приоритетом.
Важной подобластью нанотехнологий, связанной с энергетикой, является нанопроизводство , процесс проектирования и создания устройств в наномасштабе. Возможность создания устройств размером менее 100 нанометров открывает множество дверей для разработки новых способов захвата, хранения и передачи энергии. Улучшения в точности технологий нанопроизводства имеют решающее значение для решения многих энергетических проблем, с которыми в настоящее время сталкивается мир. [ необходима цитата ]
Существует огромный интерес к использованию материалов на основе графена для хранения энергии. Исследования по использованию графена для хранения энергии начались совсем недавно, но темпы роста соответствующих исследований быстры. [2]
Графен недавно появился как перспективный материал для хранения энергии из-за нескольких свойств, таких как малый вес, химическая инертность и низкая цена. Графен представляет собой аллотроп углерода , который существует в виде двумерного слоя атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Семейство связанных с графеном материалов, называемых исследовательским сообществом «графенами», состоит из структурных или химических производных графена. [2] Наиболее важным химически полученным графеном является оксид графена (определяемый как один слой оксида графита, [3] Оксид графита может быть получен путем реакции графита с сильными окислителями, например, смесью серной кислоты, нитрата натрия и перманганата калия [4] ), который обычно получают из графита путем окисления до оксида графита и последующего расслоения. Свойства графена во многом зависят от метода изготовления. Например, восстановление оксида графена до графена приводит к образованию структуры графена, которая также имеет толщину в один атом, но содержит высокую концентрацию дефектов, таких как наноотверстия и дефекты Стоуна-Уэйлса . [5] Более того, углеродные материалы, которые имеют относительно высокую электропроводность и переменную структуру, широко используются для модификации серы. Композиты сера-углерод с разнообразной структурой были синтезированы и продемонстрировали значительно улучшенные электрохимические характеристики, чем чистая сера, что имеет решающее значение для проектирования аккумуляторов. [6] [7] [8] [9] Графен имеет большой потенциал для модификации серного катода для высокопроизводительных Li-S-аккумуляторов, что широко исследовалось в последние годы. [2]
Нанополупроводники на основе кремния имеют наиболее полезное применение в солнечной энергетике, и они также широко изучались во многих местах, таких как Киотский университет . Они используют кремниевые наночастицы для поглощения большего диапазона длин волн из электромагнитного спектра . Это можно сделать, поместив на поверхность много одинаковых и равномерно расположенных кремниевых стержней. Кроме того, высота и длина расстояния должны быть оптимизированы для достижения наилучших результатов. Такое расположение кремниевых частиц позволяет повторно поглощать солнечную энергию многими различными частицами, возбуждая электроны и в результате чего большая часть энергии преобразуется в тепло. Затем тепло может быть преобразовано в электричество. Исследователи из Киотского университета показали, что эти наномасштабные полупроводники могут повысить эффективность как минимум на 40% по сравнению с обычными солнечными элементами. [10]
Целлюлоза является наиболее распространенным природным полимером на Земле. В настоящее время мезопористые структуры, гибкие тонкие пленки, волокна и сети на основе наноцеллюлозы разрабатываются и используются в фотоэлектрических (PV) устройствах, системах хранения энергии, механических сборщиках энергии и компонентах катализаторов. Включение наноцеллюлозы в эти устройства, связанные с энергетикой, в значительной степени повышает долю экологически чистых материалов и является весьма перспективным в решении соответствующих экологических проблем. Кроме того, целлюлоза проявляет себя в низкой стоимости и масштабных обещаниях. [11]
Одномерные наноструктуры показали, что они обещают увеличить плотность энергии , безопасность и циклический срок службы систем хранения энергии , область, требующая улучшения для литий-ионных аккумуляторов . Эти наноструктуры в основном используются в электродах аккумуляторов из-за их более коротких бинепрерывных путей переноса ионов и электронов, что приводит к более высокой производительности аккумуляторов. [12]
Кроме того, 1D наноструктуры способны увеличивать хранение заряда за счет двойного наслаивания, а также могут использоваться в суперконденсаторах из-за их быстрых псевдоемкостных поверхностных окислительно-восстановительных процессов. В будущем новый дизайн и контролируемый синтез этих материалов будут разработаны гораздо более глубоко. 1D наноматериалы также являются экологически чистыми и экономически эффективными . [13]
Самая важная особенность двумерных наноматериалов заключается в том, что их свойства можно точно контролировать. Это означает, что двумерные наноматериалы можно легко модифицировать и проектировать на наноструктурах . Межслоевое пространство также можно изменять для неслоистых материалов, называемых двумерными нанофлюидными каналами. Двумерные наноматериалы также можно проектировать в пористые структуры, чтобы использовать их для хранения энергии и каталитических применений, применяя легкий перенос заряда и массы. [14]
2D наноматериалы также имеют несколько проблем. Существуют некоторые побочные эффекты изменения свойств материалов, таких как активность и структурная стабильность , которые могут быть скомпрометированы при их проектировании. Например, создание некоторых дефектов может увеличить количество активных участков для более высокой каталитической производительности, но также могут произойти побочные реакции, которые могут повредить структуру катализатора. Другим примером является то, что межслойное расширение может снизить барьер диффузии ионов в каталитической реакции, но оно также может потенциально снизить его структурную стабильность. Из-за этого существует компромисс между производительностью и стабильностью. Вторая проблема - это согласованность в методах проектирования. Например, гетероструктуры являются основными структурами катализатора в межслоевом пространстве и устройствах хранения энергии, но эти структуры могут не иметь понимания механизма каталитической реакции или механизмов хранения заряда. Требуется более глубокое понимание проектирования 2D наноматериалов, поскольку фундаментальные знания приведут к согласованным и эффективным методам проектирования этих структур. Третья проблема - это практическое применение этих технологий. Существует огромная разница между лабораторным и промышленным применением 2D-наноматериалов из-за их внутренней нестабильности во время хранения и обработки. Например, пористые структуры 2D-наноматериалов имеют низкую плотность упаковки, что затрудняет их упаковку в плотные пленки. Новые процессы все еще разрабатываются для применения этих материалов в промышленных масштабах. [14]
Литий-ионный аккумулятор в настоящее время является одной из самых популярных электрохимических систем хранения энергии и широко используется в областях от портативной электроники до электромобилей. [15] [16] Однако гравиметрическая плотность энергии литий-ионных аккумуляторов ограничена и меньше, чем у ископаемого топлива. Литий-серный (Li-S) аккумулятор, который имеет гораздо более высокую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор, в последние годы привлекает внимание всего мира. [17] [18] Группа исследователей из Национального фонда естественных наук Китая (гранты № 21371176 и 21201173) и Научно-технологической инновационной группы Нинбо (грант № 2012B82001) разработали литий-серный аккумулятор на основе наноструктур , состоящий из многослойных нанокомпозитных структур графен/сера/углерод. Наномодификация серы может повысить электропроводность аккумулятора и улучшить транспортировку электронов в серном катоде. Нанокомпозит графен/сера/углерод с многослойной структурой (G/S/C), в котором наноразмерная сера наслаивается с обеих сторон химически восстановленных графеновых листов и покрывается слоями аморфного углерода, может быть разработан и успешно приготовлен. Эта структура достигает высокой проводимости и поверхностной защиты серы одновременно и, таким образом, обеспечивает превосходные характеристики заряда/разряда. Композит G/S/C демонстрирует многообещающие характеристики как высокопроизводительный катодный материал для Li-S-батарей. [19]
Разработанные наноматериалы являются ключевыми строительными блоками солнечных элементов текущего поколения. [20] Сегодняшние лучшие солнечные элементы имеют слои из нескольких различных полупроводников, сложенных вместе для поглощения света с разной энергией, но все еще могут использовать только около 40% энергии Солнца. Коммерчески доступные солнечные элементы имеют гораздо более низкую эффективность (15-20%). Наноструктурирование использовалось для повышения эффективности существующих фотоэлектрических (PV) технологий, например, путем улучшения сбора тока в аморфных кремниевых устройствах, [21] плазмонного усиления в сенсибилизированных красителем солнечных элементах, [22] и улучшения улавливания света в кристаллическом кремнии. [23] Кроме того, нанотехнологии могут помочь повысить эффективность преобразования света за счет использования гибких запрещенных зон наноматериалов, [24] или путем управления направленностью и вероятностью выхода фотонов из фотоэлектрических устройств. [25] Диоксид титана (TiO 2 ) является одним из наиболее широко исследованных оксидов металлов для использования в фотоэлектрических элементах за последние несколько десятилетий из-за его низкой стоимости, экологической безопасности, обилия полиморфов , хорошей стабильности и превосходных электронных и оптических свойств. [26] [27] [28] [29] [30] Однако их характеристики значительно ограничены свойствами самих материалов TiO 2 . Одним из ограничений является широкая запрещенная зона, делающая TiO 2 чувствительным только к ультрафиолетовому (УФ) свету, который занимает всего менее 5% солнечного спектра. [31] В последнее время наноматериалы со структурой «ядро-оболочка» привлекают большое внимание, поскольку они представляют собой интеграцию отдельных компонентов в функциональную систему, демонстрируя улучшенные физические и химические свойства (например, стабильность, нетоксичность, диспергируемость, многофункциональность), которые недоступны для изолированных компонентов. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] Для наноматериалов TiO 2 эта структура со структурой ядро-оболочка может стать многообещающим способом преодоления их недостатков, что приведет к улучшению характеристик. [41] [42] [43] По сравнению с единственным материалом TiO 2 композиты со структурой ядро-оболочка на основе TiO 2 демонстрируют настраиваемые оптические и электрические свойства, даже новые функции, которые возникают из-за уникальных структур ядро-оболочка. [31]
Наноматериалы могут использоваться различными способами для снижения потребления энергии. Топливные добавки на основе наночастиц также могут быть очень полезны для снижения выбросов углерода и повышения эффективности сжигания топлива. Было показано, что наночастицы оксида церия очень хорошо катализируют разложение несгоревших углеводородов и других выбросов мелких частиц из-за их высокого отношения площади поверхности к объему, а также снижают давление в камере сгорания двигателей для повышения эффективности двигателя и сокращения выбросов NO x . [44] Добавление углеродных наночастиц также успешно увеличило скорость горения и задержку воспламенения в реактивном топливе. [45] Добавки наночастиц железа к биодизельному и дизельному топливу также показали снижение расхода топлива и объемных выбросов углеводородов на 3-6%, оксида углерода на 6-12% и оксидов азота на 4-11% в одном исследовании. [46]
Хотя наноматериалы могут повышать энергоэффективность топлива несколькими способами, недостатком их использования является воздействие наночастиц на окружающую среду. При добавлении в топливо наночастиц оксида церия следовые количества этих токсичных частиц могут выделяться в выхлопных газах. Было показано, что добавки оксида церия в дизельное топливо вызывают воспаление легких и увеличение жидкости бронхиального альвеолярного лаважа у крыс. [44] Это вызывает беспокойство, особенно в районах с интенсивным дорожным движением, где эти частицы могут накапливаться и вызывать неблагоприятные последствия для здоровья. Природные наночастицы, образующиеся при неполном сгорании дизельного топлива, также вносят большой вклад в токсичность дизельных паров. Необходимо провести больше исследований, чтобы определить, снижает ли добавление искусственных наночастиц в топливо чистое количество выбросов токсичных частиц из-за сгорания. [44]
Относительно недавний сдвиг в сторону использования нанотехнологий в отношении захвата, передачи и хранения энергии имел и будет продолжать иметь много положительных экономических последствий для общества. Контроль материалов, который нанотехнологии предлагают ученым и инженерам потребительских товаров, является одним из важнейших аспектов нанотехнологий и позволяет повышать эффективность различных продуктов. Более эффективный захват и хранение энергии с использованием нанотехнологий может привести к снижению затрат на энергию в будущем, поскольку затраты на подготовку наноматериалов становятся менее дорогими с более высокой разработкой.
Основной проблемой современного производства энергии является образование отработанного тепла как побочного продукта сгорания. Типичным примером этого является двигатель внутреннего сгорания . Двигатель внутреннего сгорания теряет около 64% энергии бензина в виде тепла, и улучшение только этого показателя может иметь значительный экономический эффект. [47] Однако улучшение двигателя внутреннего сгорания в этом отношении оказалось чрезвычайно сложным без ущерба для производительности. Повышение эффективности топливных элементов за счет использования нанотехнологий представляется более вероятным при использовании молекулярно адаптированных катализаторов , полимерных мембран и улучшенного хранения топлива.
Для работы топливного элемента, особенно водородного варианта , необходим катализатор из благородного металла (обычно платины , которая очень дорогая) для отделения электронов от протонов атомов водорода. [48] Однако катализаторы этого типа чрезвычайно чувствительны к реакциям с оксидом углерода . Чтобы бороться с этим, используются спирты или углеводородные соединения для снижения концентрации оксида углерода в системе. Используя нанотехнологии, катализаторы могут быть разработаны с помощью нанопроизводства, которые ограничивают неполное сгорание и, таким образом, уменьшают количество оксида углерода, повышая эффективность процесса.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )