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        陳根:納米技術,碳中和的最后一塊拼圖

        發布時間:2022-3-19 14:04:44    點擊:
        [ 導讀 ]:當前,納米技術經過數十年的發展,方興未艾。作為微納尺度上的創新性技術,納米技術能夠制造出具有高度柔韌性、導電性、耐用性的新材料,所使用的納米儀器和制備的納米顆粒也使科學、工業和日常生活的各領域都發生了顯著改變,納米雖小,其用卻大,尤其是在能源領域。
        陳根:納米技術,碳中和的最后一塊拼圖
         
        當前,納米技術經過數十年的發展,方興未艾。作為微納尺度上的創新性技術,納米技術能夠制造出具有高度柔韌性、導電性、耐用性的新材料,所使用的納米儀器和制備的納米顆粒也使科學、工業和日常生活的各領域都發生了顯著改變,納米雖小,其用卻大,尤其是在能源領域。

        此文章在中國節能網轉載                              廣東革普絲科技節能公司料斗節能發熱器、炮筒節能加熱圈


        人們從來沒有像今天這樣重視能源,當人們再一次面臨著一場能源迭代時,也意味著一個全新的能源時代正在加速到來。能源轉型的關鍵,是能夠規模地開發和使用新型能源,這首先需要確保對于能源開發利用在技術和經濟上是可行的,而不僅僅是從簡單的政策層面進行節能減排。

        在這樣的背景下,納米技術產業的發展正以無可比擬的優勢賦能新時代能源的變革,為實現碳中和補齊最后一塊技術的拼圖。

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        納米雖小,其用卻大

        長度單位的納米,是一米的十億分之一,而一個分子是1納米,一根頭發是7.5萬納米,注射用的針頭是100萬納米,一個身高2米的籃球員運動員則能達到20 億納米。顯然,這與我們所知的宏觀世界截然不同,納米是一個度量微觀世界的長度單位,納米特殊的長度,也賦予了納米特殊的性質。

        我們都知道,不斷分割一塊橡皮,會不斷增加橡皮裸露在外的面積,這就意味著裸露在外面的原子也會增加。當我們把一塊物體切到只有幾納米的大小,那么一克這樣的物質所擁有的表面積就將達到幾百平方米的大小。

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        于是,隨著粒子的減小,有更多的原子分布到了表面。當粒子的直徑為10納米時,約有20%的原子裸露在表面。而我們平常接觸到的物體表面,原子所占比例還不到萬分之一。與此同時,原子之間需要依靠化學鍵相互連接,這就導致表面的原子由于沒能和足夠的原子連接,很不穩定,具有很高的活性。

        比如,用高倍率電子顯微鏡對金的納米粒子進行攝像觀察,就會發現這些顆粒沒有固定的形態,隨著時間的變化會自動形成各種形狀,它既不同于一般固體,也不同于液體;在電子顯微鏡的電子束照射下,表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態,而尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結構的不穩定性,這時微顆粒才具有穩定的結構狀態。

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        具體來看,光學性質方面,納米粒子的粒徑小于光波的波長,因此,將與入射光產生復雜的交互作用。納米材料因其光吸收率大的特點,可應用于紅外線感測材料。當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時,即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上,所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小,顏色愈黑,銀白色的鉑(白金)變成鉑黑,金屬鉻變成鉻黑。

        由此可見,金屬超微顆粒對光的反射率很低,通?傻陀1%,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性,可以將納米粒子制成光熱、光電等轉換材料,從而高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。此外,又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。

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        熱學性質方面,固態物質在其形態為大尺寸時,其熔點往往是固定的,超細微化后,卻發現其熔點將顯著降低,當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。比如,金的常規熔點為1064℃,當顆粒尺寸減小到10納米時,熔點則降低27℃,2納米時的熔點僅為327℃左右;銀的常規熔點為670℃,而超微銀顆粒的熔點則可低于100℃。

        因此,超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結,此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超細銀粉漿料,可使膜厚均勻,覆蓋面積大,既省料又具有高質量。

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        磁學性質方面,一個經典的例子就是鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體特殊的回歸本領。這類生物體中存在超微的磁性顆粒,才使這類生物在地磁場導航下能辨別方向。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤,生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養豐富的水底。

        力學性質方面,陶瓷材料在通常情況下呈脆性,然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面,界面的原子排列是相當混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此納米陶瓷材料能表現出甚佳的韌性與一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力學性質。

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        正是納米特殊的尺度,賦予了納米材料理想的機械、化學、電學、磁學、熱學或光學性能,使這些新型納米材料在傳統和新興工業制造領域得到廣泛應用。

        納米技術在能源

        目前,納米技術最為所知的應用就是集成電路。盡管集成電路的發明創造了今天的“信息時代”,但納米技術在總體上對社會的沖擊將遠遠比集成電路大得多,它不僅應用在電子學方面,還可以應用到其他更多方面,比如,能源領域。

        全球氣候變化和人類活動的關系已成為當今國際焦點問題,關系到各個國家的切身利益與經濟發展。人們從來沒有像今天這樣重視能源,可持續新能源正在逐漸取代化石能源成為支撐社會運轉和人們生活的主力。

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        能源轉型的關鍵,是能夠規模地開發和使用新型能源,基于此,不論是電池領域、太陽能開發利用還是氫能與其他能源,納米技術產業的發展都正以無可比擬的優勢賦能新時代能源的變革。

        在電池領域,利用納米技術,傳統鋰電池領域充放電過程中的安全性(利用硅納米線或者具有空心殼層結構的S/納米TiO2等)及速度慢(應用碳納米管等)、電池不穩定(使用超薄二維BN/石墨烯復合材料等)等重大問題得以妥善解決。

        實際上,當前針對鋰電池的納米材料的研究已經完善并實現了產業化。商業鋰電池的能量密度已達300Wh/kg,鋰電池動力汽車的續航里程可達470公里左右,隨著納米材料的進一步發展,鋰電池性能的進一步優化,其能量密度有望達到500Wh/kg,實現800公里的續航目標。

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        在電子信息產業中,納米技術的應用將有助于克服以強場效應、量子隧穿效應為代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲為代表的技術限制,制造出基于量子效應的新型納米器件,推動高性價比制備工藝的發展。

        對于太陽能開發來說,在資源蘊藏總量一定的情況下,要增加新型能源的供應能力,唯一的途徑是通過先進技術手段提高能源轉換的效率。傳統太陽能電池的硅半導體只吸收紅外光,而高能量光波,包括大部分的可見光光譜都以熱能形式被浪費掉。雖然在理論上,傳統太陽能電池的轉換效率可以提高到70%以上,但由于能量浪費,盡管其工藝不斷完善和進步,目前投入商業應用的先進光伏發電的轉換效率依然停滯在大約25%。

        然而,通過納米技術開發的熱光電方法,卻有望把太陽能電池的轉換效率提高到80%。美國斯坦福大學電氣工程的研究人員就曾基于納米技術開發出一種全新的熱光電系統。與傳統太陽能電池不同,新的熱光電系統首先把太陽光壓縮成紅外光線,再通過太陽能電池將其轉換為電能。該系統有一個中間組件,包括兩個部分:一個是吸收器在陽光下可升溫;另一個為發射器把熱轉換為紅外光線,然后向太陽能電池照射,而把太陽光壓縮成為單色光方法的關鍵就是保持材料的納米結構。

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        在氫氣制造上,氫氣是無碳、無污染的環保燃料。當燃燒氫氣生成能量時,生成物只有水。但事實上,用水制氫、再儲氫并利用氫則非常困難。而此前,由美國威斯康辛大學的研究人員卻表示,他們用納米技術研制出一種新的二硫化鉬結構,能充當水制氫反應中的催化劑,有望替代昂貴的鉑來幫助人類早日邁進經濟環保的“氫經濟”時代。

        研究人員用納米技術制造出一種新的二硫化鉬結構,結果表明,它可以顯著為水制氫反應提速。研究人員把二硫化鉬的納米結構沉積在一盤石墨上,隨后用鋰對二硫化鉬進行處理,制造出另外一種具有不同屬性的二硫化鉬結構。

        就像石墨由一堆容易剝離的薄片組成一樣,二硫化鉬也由能分開的薄片組成。以前的研究證明,具有催化活性的點位于薄片的邊緣。鋰處理的作用主要是:讓二硫化鉬從半導體狀態轉變到金屬狀態;讓薄片分離,制造出更多邊緣,增加具有催化活性的點的數目,使催化性能得以大幅提高。

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        不僅如此,在農藥環保方面,納米肥料具有超越常規肥料的潛力。相比于傳統肥料,納米肥料可以將營養物質逐步且有控制地釋放到土壤中,從而防止了土壤的富營養化和水資源污染。納米肥料的使用可以提高農作物對營養元素的吸收和利用效率,減少了肥料的施用頻率,從而避免了因過度使用肥料而對環境造成的負面影響。

        在納米肥料中,營養物質可以被包裹在納米材料,或以納米級顆;蛘呤侨橐旱男问捷斔偷睫r作物體內。有研究表明,通過葉面噴施納米肥料可以促進光合作用的增加,從而提高作物產量。SiO2和TiO2納米顆粒的化合物增加了大豆中硝酸鹽還原酶的活性,增強了植物的吸收能力,使水和肥料的使用效率更高。

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        納米技術,碳中和的鑰匙

        2015年,聯合國195個成員國在法國巴黎召開聯合國氣候峰會,通過《巴黎協議》,以期能共同遏阻全球變暖趨勢。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)測算,若實現《巴黎協定》對氣候變化的推測和控溫目標,全球必須在 2050年達到二氧化碳凈零排放。

        “碳中和”概念應運而生,即強調碳排放與碳去除實現平衡,即在一定時間內通過節能減排、植樹造林等途徑,抵消所產生的二氧化碳排放量,實現二氧化碳“零排放”。當前,碳中和大行動已經開啟,多個國家和地區已公布凈零排放的意向及目標,美國、歐盟、英國、日韓等國家地區紛紛將時間目標定為2050年,提出無碳未來的愿景。

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        然而,承諾是應然的,挑戰卻是實然的。能源是支撐經濟社會發展的基礎設施中的一個關鍵要素,是一個大系統,一個由大系統和無數子系統組成的大體系。減少溫室氣體排放必然帶來相應的經濟成本,在沒有出現解決溫室效應的革新技術前,各國也勢必會對減排經濟成本的分配爭論不休。

        過去的每一次工業革命的本質都是一次能源革命。第一次工業革命是煤炭為動力的蒸汽時代;第二次工業革命中,作為二次能源的電力橫空出世,帶領世界走進電氣時代,內燃機也讓石油在幾十年內迅速超越煤炭成為全球能源之首;第三次工業革命中我們已見證了核能、移動能源、信息技術對世界的改變和推動。

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        當前,信息技術的催化下,第四次工業革命已經提前開始萌芽。這意味著能源領域也將迎來新的一輪能源革命。而且,這一輪革新將是以碳中和為導向能源清潔化?梢哉f,碳中和目標打開了能源技術革命的新賽道,誰率先掌握了解鎖碳中和的技術密鑰,誰就有可能引領第四次能源革命。

        現在,納米技術就是那個能夠解決溫室效應的關鍵技術,納米技術正在打破原有的假設或者法則,從而使相關學科發生巨大轉變,進而帶動產業變革。除了能源領域以外,納米技術還為物理、材料、化學、生命科學、藥理學與毒理學、工程學等基礎學科提供了創新推動力,成為變革性產業制造技術的重要源泉。

        基于納米技術廣泛的應用未來,我國也在不斷布局納米技術的戰略和行動。2013年,我國科學院啟動“納米先導專項”,希望利用納米技術促進長續航動力鋰電池和納米綠色印刷等產業技術的變革性創新,同時培育和推動一批納米核心技術在特定能源、環境與健康領域中的應用,解決若干制約國家骨干行業發展的關鍵技術瓶頸問題,帶動新興產業的發展。

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        2016年,科技部發布“十三五”國家科技創新規劃,將新型納米功能材料、納米光電器件及集成系統、納米生物醫用材料、納米藥物、納米能源材料與器件、納米環境材料等的研發作為重大專項進行研究部署。在各類項目和計劃的支持下,我國納米技術的發展態勢良好,已經成為世界納米技術研發大國。

        長遠來看,中國要在下一次工業革命中占領先機,必須主動把握新一輪能源革命中低碳和負碳生產的顛覆性技術,也是大勢所趨,別無其他選擇。

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