陈根:纳米技术,碳中和的最后一块拼图

文/陈根

当前,纳米技术经过数十年的发展,方兴未艾。作为微纳尺度上的创新性技术,纳米技术能够制造出具有高度柔韧性、导电性、耐用性的新材料,所使用的纳米仪器和制备的纳米颗粒也使科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变,纳米虽小,其用却大,尤其是在能源领域。

人们从来没有像今天这样重视能源,当人们再一次面临着一场能源迭代时,也意味着一个全新的能源时代正在加速到来。能源转型的关键,是能够规模地开发和使用新型能源,这首先需要确保对于能源开发利用在技术和经济上是可行的,而不仅仅是从简单的政策层面进行节能减排。

在这样的背景下,纳米技术产业的发展正以无可比拟的优势赋能新时代能源的变革,为实现碳中和补齐最后一块技术的拼图。

 纳米虽小,其用却大

长度单位的纳米,是一米的十亿分之一,而一个分子是1纳米,一根头发是7.5万纳米,注射用的针头是100万纳米,一个身高2米的篮球员运动员则能达到20 亿纳米。显然,这与我们所知的宏观世界截然不同,纳米是一个度量微观世界的长度单位,纳米特殊的长度,也赋予了纳米特殊的性质。

我们都知道,不断分割一块橡皮,会不断增加橡皮裸露在外的面积,这就意味着裸露在外面的原子也会增加。当我们把一块物体切到只有几纳米的大小,那么一克这样的物质所拥有的表面积就将达到几百平方米的大小。

于是,随着粒子的减小,有更多的原子分布到了表面。当粒子的直径为10纳米时,约有20%的原子裸露在表面。而我们平常接触到的物体表面,原子所占比例还不到万分之一。与此同时,原子之间需要依靠化学键相互连接,这就导致表面的原子由于没能和足够的原子连接,很不稳定,具有很高的活性。

比如,用高倍率电子显微镜对金的纳米粒子进行摄像观察,就会发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状,它既不同于一般固体,也不同于液体;在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,而尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒才具有稳定的结构状态。

具体来看,光学性质方面,纳米粒子的粒径小于光波的波长,因此,将与入射光产生复杂的交互作用。纳米材料因其光吸收率大的特点,可应用于红外线感测材料。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。

由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于1%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性,可以将纳米粒子制成光热、光电等转换材料,从而高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外,又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

热学性质方面,固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点往往是固定的,超细微化后,却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。比如,金的常规熔点为1064℃,当颗粒尺寸减小到10纳米时,熔点则降低27℃,2纳米时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点则可低于100℃。

因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具有高质量。

磁学性质方面,一个经典的例子就是鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体特殊的回归本领。这类生物体中存在超微的磁性颗粒,才使这类生物在地磁场导航下能辨别方向。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。

力学性质方面,陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此纳米陶瓷材料能表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。

正是纳米特殊的尺度,赋予了纳米材料理想的机械、化学、电学、磁学、热学或光学性能,使这些新型纳米材料在传统和新兴工业制造领域得到广泛应用。

 纳米技术在能源

目前,纳米技术最为所知的应用就是集成电路。尽管集成电路的发明创造了今天的“信息时代”,但纳米技术在总体上对社会的冲击将远远比集成电路大得多,它不仅应用在电子学方面,还可以应用到其他更多方面,比如,能源领域。

全球气候变化和人类活动的关系已成为当今国际焦点问题,关系到各个国家的切身利益与经济发展。人们从来没有像今天这样重视能源,可持续新能源正在逐渐取代化石能源成为支撑社会运转和人们生活的主力。

能源转型的关键,是能够规模地开发和使用新型能源,基于此,不论是电池领域、太阳能开发利用还是氢能与其他能源,纳米技术产业的发展都正以无可比拟的优势赋能新时代能源的变革。

在电池领域,利用纳米技术,传统锂电池领域充放电过程中的安全性(利用硅纳米线或者具有空心壳层结构的S/纳米TiO2等)及速度慢(应用碳纳米管等)、电池不稳定(使用超薄二维BN/石墨烯复合材料等)等重大问题得以妥善解决。

实际上,当前针对锂电池的纳米材料的研究已经完善并实现了产业化。商业锂电池的能量密度已达300Wh/kg,锂电池动力汽车的续航里程可达470公里左右,随着纳米材料的进一步发展,锂电池性能的进一步优化,其能量密度有望达到500Wh/kg,实现800公里的续航目标。

在电子信息产业中,纳米技术的应用将有助于克服以强场效应、量子隧穿效应为代表的物理限制和以功耗、散热、传输延迟为代表的技术限制,制造出基于量子效应的新型纳米器件,推动高性价比制备工艺的发展。

对于太阳能开发来说,在资源蕴藏总量一定的情况下,要增加新型能源的供应能力,唯一的途径是通过先进技术手段提高能源转换的效率。传统太阳能电池的硅半导体只吸收红外光,而高能量光波,包括大部分的可见光光谱都以热能形式被浪费掉。虽然在理论上,传统太阳能电池的转换效率可以提高到70%以上,但由于能量浪费,尽管其工艺不断完善和进步,目前投入商业应用的先进光伏发电的转换效率依然停滞在大约25%。

然而,通过纳米技术开发的热光电方法,却有望把太阳能电池的转换效率提高到80%。美国斯坦福大学电气工程的研究人员就曾基于纳米技术开发出一种全新的热光电系统。与传统太阳能电池不同,新的热光电系统首先把太阳光压缩成红外光线,再通过太阳能电池将其转换为电能。该系统有一个中间组件,包括两个部分:一个是吸收器在阳光下可升温;另一个为发射器把热转换为红外光线,然后向太阳能电池照射,而把太阳光压缩成为单色光方法的关键就是保持材料的纳米结构。

在氢气制造上,氢气是无碳、无污染的环保燃料。当燃烧氢气生成能量时,生成物只有水。但事实上,用水制氢、再储氢并利用氢则非常困难。而此前,由美国威斯康辛大学的研究人员却表示,他们用纳米技术研制出一种新的二硫化钼结构,能充当水制氢反应中的催化剂,有望替代昂贵的铂来帮助人类早日迈进经济环保的“氢经济”时代。

研究人员用纳米技术制造出一种新的二硫化钼结构,结果表明,它可以显著为水制氢反应提速。研究人员把二硫化钼的纳米结构沉积在一盘石墨上,随后用锂对二硫化钼进行处理,制造出另外一种具有不同属性的二硫化钼结构。

就像石墨由一堆容易剥离的薄片组成一样,二硫化钼也由能分开的薄片组成。以前的研究证明,具有催化活性的点位于薄片的边缘。锂处理的作用主要是:让二硫化钼从半导体状态转变到金属状态;让薄片分离,制造出更多边缘,增加具有催化活性的点的数目,使催化性能得以大幅提高。

不仅如此,在农药环保方面,纳米肥料具有超越常规肥料的潜力。相比于传统肥料,纳米肥料可以将营养物质逐步且有控制地释放到土壤中,从而防止了土壤的富营养化和水资源污染。纳米肥料的使用可以提高农作物对营养元素的吸收和利用效率,减少了肥料的施用频率,从而避免了因过度使用肥料而对环境造成的负面影响。

在纳米肥料中,营养物质可以被包裹在纳米材料,或以纳米级颗粒或者是乳液的形式输送到农作物体内。有研究表明,通过叶面喷施纳米肥料可以促进光合作用的增加,从而提高作物产量。SiO2和TiO2纳米颗粒的化合物增加了大豆中硝酸盐还原酶的活性,增强了植物的吸收能力,使水和肥料的使用效率更高。

 纳米技术,碳中和的钥匙

2015年,联合国195个成员国在法国巴黎召开联合国气候峰会,通过《巴黎协议》,以期能共同遏阻全球变暖趋势。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)测算,若实现《巴黎协定》对气候变化的推测和控温目标,全球必须在 2050年达到二氧化碳净零排放。

“碳中和”概念应运而生,即强调碳排放与碳去除实现平衡,即在一定时间内通过节能减排、植树造林等途径,抵消所产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。当前,碳中和大行动已经开启,多个国家和地区已公布净零排放的意向及目标,美国、欧盟、英国、日韩等国家地区纷纷将时间目标定为2050年,提出无碳未来的愿景。

然而,承诺是应然的,挑战却是实然的。能源是支撑经济社会发展的基础设施中的一个关键要素,是一个大系统,一个由大系统和无数子系统组成的大体系。减少温室气体排放必然带来相应的经济成本,在没有出现解决温室效应的革新技术前,各国也势必会对减排经济成本的分配争论不休。

过去的每一次工业革命的本质都是一次能源革命。第一次工业革命是煤炭为动力的蒸汽时代;第二次工业革命中,作为二次能源的电力横空出世,带领世界走进电气时代,内燃机也让石油在几十年内迅速超越煤炭成为全球能源之首;第三次工业革命中我们已见证了核能、移动能源、信息技术对世界的改变和推动。

当前,信息技术的催化下,第四次工业革命已经提前开始萌芽。这意味着能源领域也将迎来新的一轮能源革命。而且,这一轮革新将是以碳中和为导向能源清洁化。可以说,碳中和目标打开了能源技术革命的新赛道,谁率先掌握了解锁碳中和的技术密钥,谁就有可能引领第四次能源革命。

现在,纳米技术就是那个能够解决温室效应的关键技术,纳米技术正在打破原有的假设或者法则,从而使相关学科发生巨大转变,进而带动产业变革。除了能源领域以外,纳米技术还为物理、材料、化学、生命科学、药理学与毒理学、工程学等基础学科提供了创新推动力,成为变革性产业制造技术的重要源泉。

基于纳米技术广泛的应用未来,我国也在不断布局纳米技术的战略和行动。2013年,我国科学院启动“纳米先导专项”,希望利用纳米技术促进长续航动力锂电池和纳米绿色印刷等产业技术的变革性创新,同时培育和推动一批纳米核心技术在特定能源、环境与健康领域中的应用,解决若干制约国家骨干行业发展的关键技术瓶颈问题,带动新兴产业的发展。

2016年,科技部发布“十三五”国家科技创新规划,将新型纳米功能材料、纳米光电器件及集成系统、纳米生物医用材料、纳米药物、纳米能源材料与器件、纳米环境材料等的研发作为重大专项进行研究部署。在各类项目和计划的支持下,我国纳米技术的发展态势良好,已经成为世界纳米技术研发大国。

长远来看,中国要在下一次工业革命中占领先机,必须主动把握新一轮能源革命中低碳和负碳生产的颠覆性技术,也是大势所趋,别无其他选择。

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