国外纳米材料在能源领域的研究现状(1)
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美国能源部将建立的３个纳米中 心从事纳米技术研究，分别是：
（ａ）分子制造中心（劳伦斯伯克 利国家实验室Ｘ ２００６．１ １正式运行）， 研究领域：“软”和“硬”材料的连接；多 功能组装系统；
（ｂ）综合纳米技术中心（桑迪 亚一洛杉矶国家实验室Ｘ ２００７正式 运行），研究领域：纳米光子和纳米电 子（纳米尺度上的电子），光现象和磁 性；纳米机械（机械形变的机理和极 限）；纳米一微界面（在功能纳米组装 和微组装建立桥梁）；
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）纳米材料科学中心（橡树岭 ！室Ｘ ２００６．９正式运行），研 聚合物，大分子系统，奇异晶 ：化物和其它纳米结构材料； ；／模型／模拟；建造橡树岭科
●在燃料电池领域，开发一些反 应中用到的纳米复合薄膜。
２００３年５月２２日，麻省理工学院 与美国陆军合办的“纳米科技战士”研 究所未来战士模拟中心正式“亮相”， 公布了纳米科技战士研发计划，研究
方向是开发具有隐形、导电、自动疗伤 等多种神奇功能的２ １世纪的战场装 甲，研究重点是能够在战场上保护士 兵或为其提供医疗救助的材料和设 备。其研究范围包括７个领域：能量吸 收材料、机械活动材料、检测化学或生 物攻击的传感器、医疗设备、纳米材料 制造技术、纳米技术集成、模型制造和 模拟。
子传送（包括界面上传送）；（ｄ）对光 学性质控制的电子结构方法。
六个ＴＭＳ影响最深的研究方向 主要为：提供纳米实验测量观测力；解 释功能和动力学波动的影响；表征新 材料；在纳米尺度上量化传送机理（包 括电子转移）；预测自组装；设计和合 成新材料（包括光电材料）。
（６）可延展性合成方法（ＳｃａＩａｂＩｅ ｍｅｔｈｏｄｓ）：对能源领域产生重大影 响的纳米材料的两大重要的主题：在 极端环境下，材料在降解时开发新能 源的最大障碍。开发在低温下能够操 作的工艺和系统是非常重要的；通过 建立制备材料的新方法（包括纳米结 构的自组装）将会产生革命性的进步。
纳米材料是未来社会发展极为重 要的物质基础，是构建两维和三维复 杂功能纳米体系的单元，在此基础上 可产生许多纳米新器件和功能器件。 许多科技新领域的突破迫切需要纳米 材料和纳米科技支撑，传统产业的技 术提升也急需纳米材料和技术的支 持。纳米材料和技术对许多领域都将 产生极大的；中击和影响。纳米材料具 有独特的结构，在力学、热学和光学上 表现出一些奇异的特性。纳米材料可 制成高密度磁性记录材料、吸波材料、 光学器件、光电子材料、先进电池电极
美国 相关计划和机构调研
２０００年，国家纳米计划中提到纳 米技术对能源效率、存储和生产造成 的影响，列出纳米科学产生影响的几 个方面：（ａ）化学工业领域，利用孔径 １ ｎｍ的晶体材料作为催化剂支撑体的 长期研究项目；（ｂ）油田应用领域，发 现了有序孔径为１ ０～１ ００ ｎｍ材料 ＭＣＭ一４１；（ｃ）在汽车领域，一些化学 公司开发的纳米增强聚合物材料可代 替金属组件；其应用会减少大量汽油 的用量，而减少ＣＯ。的排出；（ｄ）环境
５０％；
万方数据
ＡｄＶａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｌｎｄｕｓｔｒｙ
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欧盟
欧盟最关切的议题之一是能源安 全，预估由目前的７５％进口能源，到 ２０２０年会超过８５％进口能源，其中大 多数来自于中东。氢气能源可以由电解 水、热与蒸汽裂解碳氢燃料、裂解重油
燃料或生物有机燃料、利用核能与集中 太阳高温热能的热化学反应、细菌和藻 类的生物反应等方式产生；氢气能源储 藏方式又分为压力气瓶、液体储槽、金 属混合物、化学混合物、纳米碳材料等。 氢气和燃料电池被视为２１世纪中能源 与热源的关键解决方案。
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热电材料中起到的重要作用包括： ●纳米复合材料可用来制备高能
和半导体／聚合物纳米复合材料电池； ●有机、无机、有机／无机混合多
孔材料，孔径在１～３０ｎｍ作为具有高 效获取能量、电荷分离和化学转化的 生物模拟材料；
●纳米级自组装系统是具有极其 有影响力的领域；
●在与太阳能相关的领域，高效 化学储存光能是解决的方案。此领域涉 及多层薄膜的组装，其中包括创造一些 能够预测沉积条件的模型以及发展新 一代薄膜沉积技术和原位表征工具；
政府在第二基本计划中将纳 ］能源技术作为重点发展领 ；年，日本文部省通过前沿项 复拟实验室；纳米技术支持项 材料科学研究所支持的纳米 中涉及到能源相关的项目主
ｆ项目中新一代燃料电池中的
：川：
：虚拟实验室包括：建造超高 高效纳米器件系统；为环境转 米结构控制催化剂和新材料； 用提供纳米结构催化剂；吲 。材料科学研究所从事项目包 节能和减少Ｃ０。的能源材料
（５）能源纳米科学的理论、模型 和模拟：理论、模型和模拟（ＴＭＳ】的 联合将在纳米科学中起到关键作用。 Ｔ Ｍ Ｓ潜在能力和未来能源安全对 ＴＭＳ需求的相关性如表１所示，ＴＭＳ 能够满足未来能源安全的需求主要体 现在以下四个方面的能力上：（ａ）建 立时间空间尺寸联系的桥梁的理论； （ｂ）多体电子结构体系的计算；（ｃ】电
重大挑战中的能源转换和储存专 项包含的优先研究领域包括：
●在新一代能源系统中，纳米技 术在性能、速度和容量方面取得显著 进步；
●提高太阳能转换率的新方法； ●将碳氢化合物能量转换成热能 的催化剂和膜； ●促进热电、磁冷却和其它能量 转化的纳米结构材料； ●为减少材料疲劳率和低摩擦的 材料和涂层； ●能够有选择性吸收放射性核 苷，降低核能污染的材料； ●纳米结构材料； ●纳米电子学进展能够满足新一 代高速、低能循环的需要。 ２００３年美国能源部将“低成本、 高效太陌能制氢技术”和“制氢用纳米 催化剂设计”等列为氢能基础研究的 优先研究领域，在储氢领域能源部公 布的优先项目包含“纳米结构或其它 新颖的储氢材料”等项目｜２１。 ２ ０ Ｏ ３年２月份，能源部发表的 “为确保未来能源安全所需的基础研 究”中提出１ ０大多学科的研究领域。 其中第一主题是“跨越能源障碍的材 料科学”（Ｍａｔｅ ｒｉａＩｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｔｏ ｔ ｒａｎｓｃｅｎｄ Ｅｎｅ ｒｑｖ Ｂａｒｒｉｅｓ），该主 题包含的分主题：纳米材料；材料降解 性；复合材料；材料制造问题；先进材 料和新材料｜３］。 其中，纳米材料将在光伏材料和
２００３年６月，经济、贸易省公布 “日本实现燃料电池和氢技术商业化 的途径”，提出日本发展氢和燃料电池 技术的目标是降低能源利用对环境的 影响和加强能源安全的需要，提及利 用碳纳米管作为氢存储的工具｜７１。
产业技术综合研究所通过新能源 产业综合开发机构开展一系列纳米技 术和材料的资助项目。包括：纳米结构 聚合物项目；纳米玻璃项目；纳米金属 项目；纳米颗粒项目；纳米结构涂层项 目；合成纳米功能材料项目；纳米材料 度量项目；纳米技术系统项目；合成陶 瓷项目；高功能材料项目；超级金属项 目；前沿碳技术项目；先进功能材料设 计平台项目；高效率光电转换的复合 半导体项目｜８’。
２００４年３月，在“满足能源需求 的纳米科学”（Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅ— ｓｅａ ｒｃｈ ｆｏ ｒ Ｅｎｅ ｒｑｖ）报告中提出了 纳米科技对能源安全影响最大的９大 研究目标。这９大研究目标是…：
（１）清洁高效能源制造中的高选 择性催化剂；
（２）提高２０％太阳能能量效率并 将成本降低１００倍；
（３）固态燃烧时消耗量是现在的
表１ ＴＭＳ潜在能力和未来能源安全对ＴＭＳ需求的相关性
ＴＭＳ潜在能力 建立时间空间尺寸联系的桥梁 多体电子结构体系的计算 电子传送（包括界面上传送） 对光学性质控制的电子结构方法
１ ● ●●●●● ●●●●● ●●●●
２ ●●● ● ● ●●●●
未来能源安全对ＴＭＳ需求
３ ●●●● ●●●●● ●●●● ●●●
Hale Waihona Puke ；新柚万斟方产数业据Ｎ０．１２２∞６
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方面，无机粘土和聚合物代替轮胎中 的炭黑具有环境友好和抗腐蚀性”１。
美国在国家纳米计划（ＮＮｌ）中瞄 准了重大、长期并具有挑战性的５个 战略目标：基础研究；重大挑战项目； 建立杰出的研究中心和网络；建立研 究基础设施；纳米技术的发展对社会 的影响与劳动力的教育和培训。
材料、太阳能电池材料、储氢材料、高效 催化剂、高敏感元件、高韧性陶瓷材料、 过滤材料、超导材料等，应用范围广泛。 目前，纳米技术的应用领域出现了几个 热点：能源领域、纳米医学领域、电子信 息领域、国家安全领域。其中纳米在能 源领域中的应用成为新的关注点，特别 是纳米储氢技术已经成为重点项目，寻 找用于储氢的纳米材料。美国于２００４ 年３月专门出台了“满足能源需求的纳 米科学”的研究报告。欧盟、日本、加拿 大等国家出台的能源计划中都包含了 纳米科学的应用内容。
（４）超强、轻质材料提高汽车、飞 机的效率；
（５）室温下可逆操作的储氢材料； （６）能量传播线具有１０亿瓦能力； （７剐用纳米材料制造低费用燃料 电池，二次电池。热电子和超级电容器； （８）基于生物的效率和生物选择 性机理的材料的合成和能量获取； （９）为了完成９大目标，还提出６ 大交叉学科纳米研究主题：纳米结构 材料的催化剂；利用界面控制能源载 体；在纳米尺度上将结构和功能联合； 纳米结构的组装和体系；能源纳米科 学的理论，模拟和模型；可延展性合成 方法（ＳｃａＩａｂＩｅ ｍｅｔｈｏｄｓ）。 六大交叉学科的技术问题 （１）纳米结构材料催化剂：催化 剂的性能主要取决于它的组成、尺寸、 形态、纳米颗粒的均一程度和支撑体 界面。因此。为了解催化剂及其性能， 需要了解纳米材料科学和纳米界面发 展。一些由纳米材料催化造成的特殊 的难点是在反应性环境中测量它们的 结构。其他催化剂的技术难点主要集 中在以下方面：燃料电池催化剂；提高 纳米铂基催化剂；催化剂的选择性；所 需的基础设施方面。 （２）利用界面控制能源载体：利 用界面上的纳米结构来提高能源安全
（ａ）分子制造中心（劳伦斯伯克 利国家实验室Ｘ ２００６．１ １正式运行）， 研究领域：“软”和“硬”材料的连接；多 功能组装系统；
（ｂ）综合纳米技术中心（桑迪 亚一洛杉矶国家实验室Ｘ ２００７正式 运行），研究领域：纳米光子和纳米电 子（纳米尺度上的电子），光现象和磁 性；纳米机械（机械形变的机理和极 限）；纳米一微界面（在功能纳米组装 和微组装建立桥梁）；
５２
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●在燃料电池领域，开发一些反 应中用到的纳米复合薄膜。
２００３年５月２２日，麻省理工学院 与美国陆军合办的“纳米科技战士”研 究所未来战士模拟中心正式“亮相”， 公布了纳米科技战士研发计划，研究
方向是开发具有隐形、导电、自动疗伤 等多种神奇功能的２ １世纪的战场装 甲，研究重点是能够在战场上保护士 兵或为其提供医疗救助的材料和设 备。其研究范围包括７个领域：能量吸 收材料、机械活动材料、检测化学或生 物攻击的传感器、医疗设备、纳米材料 制造技术、纳米技术集成、模型制造和 模拟。
子传送（包括界面上传送）；（ｄ）对光 学性质控制的电子结构方法。
六个ＴＭＳ影响最深的研究方向 主要为：提供纳米实验测量观测力；解 释功能和动力学波动的影响；表征新 材料；在纳米尺度上量化传送机理（包 括电子转移）；预测自组装；设计和合 成新材料（包括光电材料）。
（６）可延展性合成方法（ＳｃａＩａｂＩｅ ｍｅｔｈｏｄｓ）：对能源领域产生重大影 响的纳米材料的两大重要的主题：在 极端环境下，材料在降解时开发新能 源的最大障碍。开发在低温下能够操 作的工艺和系统是非常重要的；通过 建立制备材料的新方法（包括纳米结 构的自组装）将会产生革命性的进步。
纳米材料是未来社会发展极为重 要的物质基础，是构建两维和三维复 杂功能纳米体系的单元，在此基础上 可产生许多纳米新器件和功能器件。 许多科技新领域的突破迫切需要纳米 材料和纳米科技支撑，传统产业的技 术提升也急需纳米材料和技术的支 持。纳米材料和技术对许多领域都将 产生极大的；中击和影响。纳米材料具 有独特的结构，在力学、热学和光学上 表现出一些奇异的特性。纳米材料可 制成高密度磁性记录材料、吸波材料、 光学器件、光电子材料、先进电池电极
美国 相关计划和机构调研
２０００年，国家纳米计划中提到纳 米技术对能源效率、存储和生产造成 的影响，列出纳米科学产生影响的几 个方面：（ａ）化学工业领域，利用孔径 １ ｎｍ的晶体材料作为催化剂支撑体的 长期研究项目；（ｂ）油田应用领域，发 现了有序孔径为１ ０～１ ００ ｎｍ材料 ＭＣＭ一４１；（ｃ）在汽车领域，一些化学 公司开发的纳米增强聚合物材料可代 替金属组件；其应用会减少大量汽油 的用量，而减少ＣＯ。的排出；（ｄ）环境
５０％；
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欧盟最关切的议题之一是能源安 全，预估由目前的７５％进口能源，到 ２０２０年会超过８５％进口能源，其中大 多数来自于中东。氢气能源可以由电解 水、热与蒸汽裂解碳氢燃料、裂解重油
燃料或生物有机燃料、利用核能与集中 太阳高温热能的热化学反应、细菌和藻 类的生物反应等方式产生；氢气能源储 藏方式又分为压力气瓶、液体储槽、金 属混合物、化学混合物、纳米碳材料等。 氢气和燃料电池被视为２１世纪中能源 与热源的关键解决方案。
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热电材料中起到的重要作用包括： ●纳米复合材料可用来制备高能
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●纳米级自组装系统是具有极其 有影响力的领域；
●在与太阳能相关的领域，高效 化学储存光能是解决的方案。此领域涉 及多层薄膜的组装，其中包括创造一些 能够预测沉积条件的模型以及发展新 一代薄膜沉积技术和原位表征工具；
政府在第二基本计划中将纳 ］能源技术作为重点发展领 ；年，日本文部省通过前沿项 复拟实验室；纳米技术支持项 材料科学研究所支持的纳米 中涉及到能源相关的项目主
ｆ项目中新一代燃料电池中的
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：虚拟实验室包括：建造超高 高效纳米器件系统；为环境转 米结构控制催化剂和新材料； 用提供纳米结构催化剂；吲 。材料科学研究所从事项目包 节能和减少Ｃ０。的能源材料
（５）能源纳米科学的理论、模型 和模拟：理论、模型和模拟（ＴＭＳ】的 联合将在纳米科学中起到关键作用。 Ｔ Ｍ Ｓ潜在能力和未来能源安全对 ＴＭＳ需求的相关性如表１所示，ＴＭＳ 能够满足未来能源安全的需求主要体 现在以下四个方面的能力上：（ａ）建 立时间空间尺寸联系的桥梁的理论； （ｂ）多体电子结构体系的计算；（ｃ】电
重大挑战中的能源转换和储存专 项包含的优先研究领域包括：
●在新一代能源系统中，纳米技 术在性能、速度和容量方面取得显著 进步；
●提高太阳能转换率的新方法； ●将碳氢化合物能量转换成热能 的催化剂和膜； ●促进热电、磁冷却和其它能量 转化的纳米结构材料； ●为减少材料疲劳率和低摩擦的 材料和涂层； ●能够有选择性吸收放射性核 苷，降低核能污染的材料； ●纳米结构材料； ●纳米电子学进展能够满足新一 代高速、低能循环的需要。 ２００３年美国能源部将“低成本、 高效太陌能制氢技术”和“制氢用纳米 催化剂设计”等列为氢能基础研究的 优先研究领域，在储氢领域能源部公 布的优先项目包含“纳米结构或其它 新颖的储氢材料”等项目｜２１。 ２ ０ Ｏ ３年２月份，能源部发表的 “为确保未来能源安全所需的基础研 究”中提出１ ０大多学科的研究领域。 其中第一主题是“跨越能源障碍的材 料科学”（Ｍａｔｅ ｒｉａＩｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｔｏ ｔ ｒａｎｓｃｅｎｄ Ｅｎｅ ｒｑｖ Ｂａｒｒｉｅｓ），该主 题包含的分主题：纳米材料；材料降解 性；复合材料；材料制造问题；先进材 料和新材料｜３］。 其中，纳米材料将在光伏材料和
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产业技术综合研究所通过新能源 产业综合开发机构开展一系列纳米技 术和材料的资助项目。包括：纳米结构 聚合物项目；纳米玻璃项目；纳米金属 项目；纳米颗粒项目；纳米结构涂层项 目；合成纳米功能材料项目；纳米材料 度量项目；纳米技术系统项目；合成陶 瓷项目；高功能材料项目；超级金属项 目；前沿碳技术项目；先进功能材料设 计平台项目；高效率光电转换的复合 半导体项目｜８’。
２００４年３月，在“满足能源需求 的纳米科学”（Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅ— ｓｅａ ｒｃｈ ｆｏ ｒ Ｅｎｅ ｒｑｖ）报告中提出了 纳米科技对能源安全影响最大的９大 研究目标。这９大研究目标是…：
（１）清洁高效能源制造中的高选 择性催化剂；
（２）提高２０％太阳能能量效率并 将成本降低１００倍；
（３）固态燃烧时消耗量是现在的
表１ ＴＭＳ潜在能力和未来能源安全对ＴＭＳ需求的相关性
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方面，无机粘土和聚合物代替轮胎中 的炭黑具有环境友好和抗腐蚀性”１。
美国在国家纳米计划（ＮＮｌ）中瞄 准了重大、长期并具有挑战性的５个 战略目标：基础研究；重大挑战项目； 建立杰出的研究中心和网络；建立研 究基础设施；纳米技术的发展对社会 的影响与劳动力的教育和培训。
材料、太阳能电池材料、储氢材料、高效 催化剂、高敏感元件、高韧性陶瓷材料、 过滤材料、超导材料等，应用范围广泛。 目前，纳米技术的应用领域出现了几个 热点：能源领域、纳米医学领域、电子信 息领域、国家安全领域。其中纳米在能 源领域中的应用成为新的关注点，特别 是纳米储氢技术已经成为重点项目，寻 找用于储氢的纳米材料。美国于２００４ 年３月专门出台了“满足能源需求的纳 米科学”的研究报告。欧盟、日本、加拿 大等国家出台的能源计划中都包含了 纳米科学的应用内容。
（４）超强、轻质材料提高汽车、飞 机的效率；
（５）室温下可逆操作的储氢材料； （６）能量传播线具有１０亿瓦能力； （７剐用纳米材料制造低费用燃料 电池，二次电池。热电子和超级电容器； （８）基于生物的效率和生物选择 性机理的材料的合成和能量获取； （９）为了完成９大目标，还提出６ 大交叉学科纳米研究主题：纳米结构 材料的催化剂；利用界面控制能源载 体；在纳米尺度上将结构和功能联合； 纳米结构的组装和体系；能源纳米科 学的理论，模拟和模型；可延展性合成 方法（ＳｃａＩａｂＩｅ ｍｅｔｈｏｄｓ）。 六大交叉学科的技术问题 （１）纳米结构材料催化剂：催化 剂的性能主要取决于它的组成、尺寸、 形态、纳米颗粒的均一程度和支撑体 界面。因此。为了解催化剂及其性能， 需要了解纳米材料科学和纳米界面发 展。一些由纳米材料催化造成的特殊 的难点是在反应性环境中测量它们的 结构。其他催化剂的技术难点主要集 中在以下方面：燃料电池催化剂；提高 纳米铂基催化剂；催化剂的选择性；所 需的基础设施方面。 （２）利用界面控制能源载体：利 用界面上的纳米结构来提高能源安全
