纳米管在能源上的利用

朱伟佳

能源现状

1 能源消费情况

2 能源环境

能源消费现状

表 1 世界一次能源消费总量及增长速度表年份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

消费量（亿吨标准煤）

143.1 143.6 146.7 151.8 158.9 163.2 167.4 171.4 174.3

增长率（%）

2.2 0.3 2.2 3.5 4.7 2.7 2.6 2.6 1.4

能源造成的环境问题

表 2 世界化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量及增长速度表

年份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

排放量（亿吨）

235.0 236.6 240.7 251.1 263.4 271.5 280.3 289.6 315.5 311.3

增长速度（ %

）

2.4 0.7 1.7 4.3 4.9 3.1 3.2 3.3 2.0 -1.1

纳米管在能源上应用分类

纳米管在能源上的应用总的可分为两类

储能材料

电极材料

储能材料

纳米管作为储能材料也许研究最多、最热的就是作为储氢材料了。其中纳米管的类型文献报道的有很多，下面只举以下几种：

1

•碳纳米管储氢

2

•BN纳米管储氢

3

•硫化物纳米管储氢

碳纳米管储氢

碳纳米管储氢也许是所有纳米管储氢研究中最热的一个课题。

首先，我们应该认识到：碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为 0.337nm，而氢气分子的动力学直径为 0.289nm，所以碳纳米管能用来吸附氢气。

其次，碳纳米管中含有许多尺寸均一的微孔，当氢气到达材料表面时，除被吸附在材料表面上外，还受到毛细力的作用，被压缩到微孔中，由气态变为固态。

因此，该材料可以通过吸附而储存相当多的氢， Ye等研究了在 80K、 10.0MPa下，单壁碳纳米管的储氢量质量分数可达 8.25%。

碳纳米管储氢

对于碳纳米管储氢的研究不只是单壁碳纳米管，许多学者对于多壁碳纳米管储氢也做了大量工作，如张超等研究了氢在多壁碳纳米管中的吸附储存：利用巨正则系综蒙特卡罗方法模拟了氢在多壁碳纳米管中的吸附，氢气分子之间、氢气分子和碳原子之间的相互作用势能采用 Lennard-Jones势能模型。模拟了不同结构参数（管内径、管壁数、管壁间距）的多壁碳纳米管在 77K和 298K下的吸附等温线，分析了多壁碳纳米管的管内径、管壁数、以及管壁间距对吸附性能的影响。

但是，研究者对于碳纳米管储氢的态度褒贬不一，还有相当一部分研究者认为碳纳米管储氢量很小，不可能实现突破性的进展，没有工业应用前景。

BN纳米管储氢

研究表明氮化硼纳米管也有奇特的储氢性能。在10MPa下，多壁氮化硼纳米管的吸氢量质量分数为 1.8%，竹节型氮化硼纳米管的吸氢量质量分数可高达 2.6%。胡征教授在论文碳基纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究中介绍了以苯为原料生长碳纳米管的六元环机理，并运用该机理的基本思想设计制备了 N,B掺杂的碳基纳米管。

硫化物纳米管储氢

室温下采用MoS2纳米管进行气固反应储氢时，可获得H2.0MoS2（相当于 1.2%质量分数的吸氢量）。在室温下采用MoS2纳米管进行电化学储氢时，在 50mA/g的放电电流密度下，放电容量为 260mAh/g，当放电电流密度为 200mA/g时，放电容量为 178mAh/g；在 150mA/g电流密度下，经 30次 100%充 /放电循环后，电极容量的损失仅为 2%。因此，MoS2纳米管无论是在气固储氢还是在电化学储氢方面均显示了较好的可逆吸放氢性能。但由于Mo是较重的金属，使得MoS2的分子量较大，其质量储氢密度低。当采用分子质量稍小的 TiS2纳米管进行储氢时，可获得 H2.8TiS2（相当于2.5%质量分数的储氢量）。MoS2和 TiS2等二元组分纳米管储氢与碳纳米管有些不同，除有物理吸附外，还表现出明显的化学吸附。

电极材料

1、超级电容器超级电容器作为一种新型的储能装置，具有长寿命、

高功率等特点，在很多领域内有广泛的应用前景。然而，在影响超级电容器性能的所有因素中，电极材料的性能起着决定性的作用。

现阶段用于超级电容器的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等，这几种电极材料的各自优缺点如下表所示：

电极材料

不同电极材料的优缺点种类 优点 缺点

碳材料 表面积大，化学稳定性好，形成双电层

比容量低，电化学性能提高受限

导电聚合物 　 结构约束

过渡金属氧化物发生可逆法拉第反应，产生远大于碳材料双电层电容的法拉第赝电容

　

电极材料

目前，超级电容器的在设计上的趋势也就是寻找一种合适的新材料来将传统的电容器与电池之间的优点联系起来，在研究中，碳材料充当了重要的角色，而且基于活性炭的电极材料的超级电容器已经商业化，但是，不幸的是活性炭虽然有很大的比表面积，然而其内部大量的微孔使得电解液不易到达电极处，从而限制了电容量。为了克服这个问题，科学家也一直致力于寻找高的比表面积、可调的孔径、化学稳定性好、电导率高的纳米材料，碳纳米管基本上满足以上要求，因此成为优越的超级电容器的电极材料。

但是，仅仅以碳纳米管作为电极材料的超级电容器性能还不是很好，现在有学者正致力于将碳纳米管与其他材料混合以制备混合型的超级电容器。

电极材料

1.1 碳纳米管和还原氧化石墨混合结构的超级电容器一种高能量密度的超级电容器装置被制成，该设备使用杂合的

碳电极，并使用离子液体 :1-丁基 -3-甲基咪唑四氟硼酸盐（ BMIMBF4）作为电解液，混合电极由还原氧化石墨和纯净的单壁碳纳米管制成，二者的混合比例是质量比 1:1，通过实验测得在室温条件下，该种电极材料的电容量为 222F/g，能量密度为 94Wh/g。

1.2 碳纳米管修饰的氧化镍三维复合型超级电容器以硅微通道（ Si-MCP）为衬底，碳纳米管和氧化镍为电极材

料的三维复合型超级电容器较单一的 NiO或碳纳米管电极材料其比电容都有所提高，而且经循环测试后，比电容损失率也仅为 7.3%，说明复合电极有较好的稳定性。1.3碳纳米管与电纺五氧化二钒混合型超级电容器

电极材料

2、太阳能电池应用于太阳能电池中的纳米管种类有很多，研究较热的

要属碳纳米管和二氧化钛纳米管。我们知道目前硅系太阳能电池已经商业化，而且具有较

高的转化率，但是单晶硅的制备工艺较复杂，成本较高，因此寻找低成本的工艺简单的新型太阳能电池仍然是一项重要的课题。染料敏化太阳能电池也就应运而生。

染料敏化太阳能电池由吸附了染料的半导体光阳极、对电极及电解液等组成，目前，化学性能优良和光稳定性高的TiO2仍然是最有希望的半导体阳极材料，一般来说其表面积越大，吸附的染料分子越多，光生电流也越强，因此高长径比的TiO2纳米管阵列作为光阳极材料近年来成为该领域的研究热点。

电极材料

纳米管相比纳米颗粒组成的电极具有明显的优势：

纳米管电极的优势

纳米管与金属钛结合牢固，阵列有序，稳定性高

调整工艺参数使纳米管管径、管长、管壁厚度和结构可控

高度有序的二氧化钛纳米管阵列垂直排列在表面，具有更大的比表面积和更强的染料吸附能力

具有单向导电性和集流作用，减少了电荷在纳米颗粒间电荷迁移的损失

电子运输能力的提升也增加了光的吸收，从而在无需其他原子和组分掺杂的情况下提高对长波长和红外光的吸收

展望

今后研究的主要方向： 1、弄清楚纳米管和纳米颗粒混合型电极材料的机理 2、进一步提高管的染料吸附量，也就是制备具有更大比表面积的纳米管阵列。这些可以通过很多途径获得，如利用双层管壁、纳米颗粒来修饰纳米管壁、制备竹子形貌的纳米管。

3、对纳米管结构进行设计、剪裁和表面修饰