Energitillämpningar av nanoteknik

I takt med att världens energiefterfrågan fortsätter att växa, blir utvecklingen av mer effektiva och hållbara tekniker för att generera och lagra energi allt viktigare. Enligt Dr Wade Adams från Rice University kommer energi att vara det mest akuta problemet som mänskligheten står inför under de kommande 50 åren och nanoteknik har potential att lösa detta problem. Nanoteknik , ett relativt nytt område inom vetenskap och teknik , har visat sig lova att ha en betydande inverkan på energiindustrin. Nanoteknik definieras som all teknik som innehåller partiklar med en dimension under 100 nanometer i längd. För skala är en enda viruspartikel cirka 100 nanometer bred.

Människor inom vetenskap och teknik har redan börjat utveckla sätt att använda nanoteknik för utveckling av konsumentprodukter . Fördelar som redan observerats från utformningen av dessa produkter är en ökad effektivitet av belysning och uppvärmning , ökad elektrisk lagringskapacitet och en minskning av mängden föroreningar från energianvändning. Fördelar som dessa gör investeringar av kapital i forskning och utveckling av nanoteknik till en högsta prioritet.

Vanligt använda nanomaterial inom energi

Ett viktigt delområde av nanoteknik relaterat till energi är nanotillverkning , processen att designa och skapa enheter på nanoskala. Möjligheten att skapa enheter som är mindre än 100 nanometer öppnar många dörrar för utveckling av nya sätt att fånga, lagra och överföra energi. Förbättringar av precisionen hos nanotillverkningstekniker är avgörande för att lösa många energirelaterade problem som världen för närvarande står inför. ^{[ citat behövs ]}

Grafenbaserade material

Det finns ett enormt intresse för användningen av grafenbaserade material för energilagring. Forskningen om användningen av grafen för energilagring började alldeles nyligen, men tillväxttakten för relativ forskning är snabb.

Grafen växte nyligen fram som ett lovande material för energilagring på grund av flera egenskaper, såsom låg vikt, kemisk tröghet och lågt pris. Grafen är en allotrop av kol som existerar som ett tvådimensionellt ark av kolatomer organiserade i ett hexagonalt gitter. En familj av grafenrelaterade material, kallade "grafener" av forskarvärlden, består av strukturella eller kemiska derivat av grafen. Den viktigaste kemiskt framställda grafenen är grafenoxid (definierad som ett enda lager av grafitoxid, grafitoxid kan erhållas genom att omsätta grafit med starka oxidationsmedel, till exempel en blandning av svavelsyra, natriumnitrat och kaliumpermanganat) som vanligtvis framställs från grafit genom oxidation till grafitoxid och åtföljande exfoliering. Egenskaperna hos grafen beror mycket på tillverkningsmetoden. Till exempel resulterar reduktion av grafenoxid till grafen i en grafenstruktur som också är en atoms tjock men innehåller en hög koncentration av defekter, såsom nanohål och Stone–Wales-defekter . Dessutom används kolmaterial, som har relativt hög elektrisk ledningsförmåga och varierande strukturer, i stor utsträckning vid modifiering av svavel. Svavel-kol-kompositer med olika strukturer har syntetiserats och uppvisat anmärkningsvärt förbättrad elektrokemisk prestanda än rent svavel, vilket är avgörande för batteridesign. Grafen har stor potential i modifieringen av en svavelkatod för högpresterande Li-S-batterier, vilket har undersökts brett de senaste åren.

Kiselbaserade nanohalvledare

Kiselbaserade nanohalvledare har den mest användbara tillämpningen inom solenergi och det har också studerats omfattande på många ställen, såsom Kyoto University . De använder nanopartiklar av kisel för att absorbera ett större spektrum av våglängder från det elektromagnetiska spektrumet . Detta kan göras genom att sätta många identiska och jämnt fördelade silikonstavar på ytan. Höjden och längden på avstånden måste också optimeras för att uppnå bästa resultat. Detta arrangemang av kiselpartiklar gör att solenergi kan återabsorberas av många olika partiklar, spännande elektroner och resultera i att mycket av energin omvandlas till värme. Då kan värmen omvandlas till el. Forskare från Kyoto University har visat att dessa nanoskaliga halvledare kan öka effektiviteten med minst 40 %, jämfört med vanliga solceller.

Nanocellulosabaserade material

Cellulosa är den vanligaste naturliga polymeren på jorden. För närvarande nanocellulosabaserade mesoporösa strukturer, flexibla tunna filmer, fibrer och nätverk i fotovoltaiska (PV ) enheter, energilagringssystem, mekaniska energiskördare och katalysatorkomponenter. Införandet av nanocellulosa i dessa energirelaterade enheter ökar till stor del andelen miljövänliga material och är mycket lovande när det gäller att ta itu med relevanta miljöproblem. Dessutom visar sig cellulosa i låga kostnader och storskaliga löften.

Nanostrukturer i energi

Endimensionella nanomaterial

Endimensionella nanostrukturer har visat löfte om att öka energitätheten , säkerheten och livslängden för energilagringssystem , ett område som behöver förbättras för Li-ion-batterier . Dessa nanostrukturer används främst i batterielektroder på grund av deras kortare bi-kontinuerliga jon- och elektrontransportvägar, vilket resulterar i högre batteriprestanda.

Dessutom kan 1D nanostrukturer öka laddningslagringen genom dubbelskiktning och kan även användas på superkondensatorer på grund av deras snabba pseudokapacitiva ytredoxprocesser. I framtiden kommer ny design och kontrollerbar syntes av dessa material att utvecklas mycket mer djupgående. 1D nanomaterial är också miljövänliga och kostnadseffektiva .

Tvådimensionella nanomaterial

Den viktigaste egenskapen hos tvådimensionella nanomaterial är att deras egenskaper kan kontrolleras exakt. Detta innebär att 2D nanomaterial enkelt kan modifieras och konstrueras på nanostrukturer . Mellanskiktsutrymmet kan också manipuleras för icke-skiktade material, så kallade 2D nanofluidkanaler. 2D nanomaterial kan också konstrueras till porösa strukturer för att användas för energilagring och katalytiska tillämpningar genom att applicera enkel laddning och masstransport.

2D nanomaterial har också några utmaningar. Det finns vissa bieffekter av att modifiera materialens egenskaper, såsom aktivitet och strukturell stabilitet , som kan äventyras när de konstrueras. Att skapa vissa defekter kan till exempel öka antalet aktiva ställen för högre katalytisk prestanda, men sidoreaktioner kan också inträffa, vilket möjligen kan skada katalysatorns struktur. Ett annat exempel är att mellanskiktsexpansion kan sänka jondiffusionsbarriären i den katalytiska reaktionen, men det kan också potentiellt sänka dess strukturella stabilitet. På grund av detta finns det en avvägning mellan prestanda och stabilitet. En andra fråga är konsekvens i designmetoder. Till exempel heterostrukturer huvudstrukturerna för katalysatorn i mellanskiktsutrymme och energilagringsanordningar, men dessa strukturer kan sakna förståelse för mekanismer för den katalytiska reaktionen eller laddningslagringsmekanismer. En djupare förståelse för 2D nanomaterialdesign krävs, eftersom grundläggande kunskap kommer att leda till konsekventa och effektiva metoder för att designa dessa strukturer. En tredje utmaning är den praktiska tillämpningen av dessa teknologier. Det finns en enorm skillnad mellan tillämpningar i laboratorieskala och industriskala av 2D nanomaterial på grund av deras inneboende instabilitet under lagring och bearbetning. Till exempel har porösa 2D nanomaterialstrukturer låga packningsdensiteter, vilket gör dem svåra att packa till täta filmer. Nya processer utvecklas fortfarande för tillämpning av dessa material i industriell skala.

Ansökningar

Litium-svavelbaserade högpresterande batterier

Li-ion-batteriet är för närvarande ett av de mest populära elektrokemiska energilagringssystemen och har använts i stor utsträckning inom områden från bärbar elektronik till elfordon. Emellertid är den gravimetriska energitätheten för Li-ion-batterier begränsad och mindre än för fossila bränslen. Litiumsvavelbatteriet (Li-S), som har en mycket högre energitäthet än Li-ion-batteriet, har rönt uppmärksamhet över hela världen de senaste åren. En grupp forskare från National Natural Science Foundation of China (anslag nr 21371176 och 21201173) och Ningbo Science and Technology Innovation Team (bidrag nr 2012B82001) har utvecklat ett nanostrukturbaserat litium- svavelbatteri bestående av grafen/svavel/ kol nanokomposit flerskiktsstrukturer. Nanomodifiering av svavel kan öka elektriska ledningsförmåga och förbättra elektrontransporten i svavelkatoden. En nanokomposit av grafen/svavel/kol med en flerskiktsstruktur (G/S/C), där svavel i nanostorlek är skiktat på båda sidor av kemiskt reducerade grafenark och täckt med amorfa kolskikt, kan designas och framgångsrikt framställas. Denna struktur uppnår hög konduktivitet och ytskydd av svavel samtidigt, och ger därmed upphov till utmärkt laddnings-/urladdningsprestanda. G/S/C-kompositen visar lovande egenskaper som ett högpresterande katodmaterial för Li-S-batterier.

Nanomaterial i solceller

Konstruerade nanomaterial är viktiga byggstenar i den nuvarande generationens solceller. Dagens bästa solceller har lager av flera olika halvledare staplade ihop för att absorbera ljus vid olika energier men lyckas ändå bara använda ungefär 40 % av solens energi. Kommersiellt tillgängliga solceller har mycket lägre verkningsgrad (15-20%). Nanostrukturering har använts för att förbättra effektiviteten hos etablerade fotovoltaiska (PV) teknologier, till exempel genom att förbättra strömuppsamlingen i amorfa kiselanordningar, plasmonisk förbättring i färgsensibiliserade solceller och förbättrad ljusinfångning i kristallint kisel. Vidare kan nanoteknik bidra till att öka effektiviteten av ljusomvandling genom att utnyttja de flexibla bandgaperna hos nanomaterial, eller genom att kontrollera riktningsförmågan och sannolikheten för att foton ska kunna fly fotovoltaiska enheter. Titandioxid (TiO ₂ ) är en av de mest undersökta metalloxiderna för användning i PV-celler under de senaste decennierna på grund av dess låga kostnad, miljövänlighet, rikliga polymorfer , goda stabilitet och utmärkta elektroniska och optiska egenskaper. Deras prestanda är emellertid mycket begränsade av egenskaperna hos själva TiO _{2 -materialen.} En begränsning är det breda bandgapet, vilket gör TiO ₂ endast känslig för ultraviolett (UV) ljus, som bara upptar mindre än 5 % av solspektrumet. Nyligen har kärna-skal strukturerade nanomaterial väckt stor uppmärksamhet eftersom de representerar integrationen av enskilda komponenter i ett funktionellt system, som visar förbättrade fysikaliska och kemiska egenskaper (t.ex. stabilitet, icke-toxicitet, dispergerbarhet, multifunktionalitet), vilket är inte tillgängliga från de isolerade komponenterna. För TiO ₂ nanomaterial skulle denna kärna-skal strukturerade design ge ett lovande sätt att övervinna deras nackdelar, vilket resulterar i förbättrade prestanda. Jämfört med sula TiO _{2 -material} visar kärna-skal-strukturerade TiO _{2 -kompositer avstämbara optiska och elektriska egenskaper, till och med nya funktioner, som härrör från de unika kärn-skal-strukturerna.}

Nanopartikelbränsletillsatser

Nanomaterial kan användas på en mängd olika sätt för att minska energiförbrukningen. Nanopartikelbränsletillsatser kan också vara till stor nytta för att minska koldioxidutsläppen och öka effektiviteten hos förbränningsbränslen. Ceriumoxidnanopartiklar har visat sig vara mycket bra på att katalysera nedbrytningen av oförbrända kolväten och andra små partikelutsläpp på grund av deras höga förhållande mellan ytarea och volym, samt sänka trycket i förbränningskammaren på motorer för att öka motoreffektiviteten och minska NO _x- utsläpp. Tillsats av kolnanopartiklar har också framgångsrikt ökat förbränningshastigheten och antändningsfördröjningen i flygbränsle. Tillsatser av nanopartiklar av järn till biodiesel och dieselbränslen har också visat en minskning av bränsleförbrukningen och volymetriska utsläpp av kolväten med 3-6 %, kolmonoxid med 6-12 % och kväveoxider med 4-11 % i en studie.

Miljö- och hälsoeffekter av bränsletillsatser

Medan nanomaterial kan öka energieffektiviteten hos bränsle på flera sätt, ligger en nackdel med deras användning i effekten av nanopartiklar på miljön. Med tillsatser av nanopartiklar av ceriumoxid i bränsle kan spårmängder av dessa giftiga partiklar släppas ut i avgaserna. Ceriumoxidtillsatser i dieselbränsle har visat sig orsaka lunginflammation och ökad bronkial alveolär sköljvätska hos råttor. Detta är oroande, särskilt i områden med hög vägtrafik, där dessa partiklar sannolikt kommer att ansamlas och orsaka negativa hälsoeffekter. Naturligt förekommande nanopartiklar skapade av ofullständig förbränning av dieselbränslen är också stora bidragsgivare till dieselångornas toxicitet. Mer forskning behöver göras för att avgöra om tillsatsen av konstgjorda nanopartiklar till bränslen minskar nettomängden giftiga partikelutsläpp på grund av förbränning.

Ekonomiska fördelar

Den relativt nyliga övergången till att använda nanoteknik med avseende på fångst, överföring och lagring av energi har och kommer att fortsätta att ha många positiva ekonomiska effekter på samhället. Styrningen av material som nanoteknik erbjuder forskare och ingenjörer av konsumentprodukter är en av de viktigaste aspekterna av nanoteknik och möjliggör effektivitetsförbättringar av en mängd olika produkter. Effektivare avskiljning och lagring av energi genom användning av nanoteknik kan leda till minskade energikostnader i framtiden, eftersom beredningskostnaderna för nanomaterial blir billigare med mer utveckling.

En stor fråga med nuvarande energiproduktion är genereringen av spillvärme som en biprodukt av förbränning. Ett vanligt exempel på detta är i en förbränningsmotor . Förbränningsmotorn förlorar cirka 64 % av energin från bensin som värme och enbart en förbättring av detta kan ha en betydande ekonomisk inverkan. Att förbättra förbränningsmotorn i detta avseende har emellertid visat sig vara extremt svårt utan att offra prestanda. Att förbättra effektiviteten hos bränsleceller genom användning av nanoteknik verkar vara mer rimligt genom att använda molekylärt skräddarsydda katalysatorer , polymermembran och förbättrad bränslelagring.

För att en bränslecell ska fungera, särskilt av vätevarianten , behövs en ädelmetallkatalysator (vanligtvis platina , vilket är mycket dyrt) för att separera elektronerna från väteatomernas protoner . Katalysatorer av denna typ är emellertid extremt känsliga för kolmonoxidreaktioner . För att bekämpa detta används alkoholer eller kolväteföreningar för att sänka kolmonoxidkoncentrationen i systemet. Med hjälp av nanoteknik kan katalysatorer designas genom nanotillverkning som begränsar ofullständig förbränning och därmed minskar mängden kolmonoxid, vilket förbättrar processens effektivitet.

Se även