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环保材料科学的新进展(截止2009年9月)

供稿人:汪逸丰  供稿时间:2010-1-12   关键字:环保  材料科学  
随着全球气候变暖和地球环境的不断恶化,环保和低碳战略成为各国议论的焦点,环保材料的研究也正如火如荼地进行着。其中,最为热门的当属新能源电池材料的研制,但迄今尚无一种完全理想的廉价、高电能电池问世。而生物燃料是否环保的问题至今仍在争论当中,有待于做进一步的验证。此外,二氧化碳隔离材料、可降解材料、热电转换材料、轮胎节能材料以及废弃材料的处理和再利用方面也都有所进展,成为近期环保材料的主要研究方向。
一、新能源电池材料的成本降低和性能提升
随着石油危机的日益加重,新能源的研究变得越来越重要。作为节能希望的新能源电池成为人们首当其冲需要着力研制的环保产品。目前,全球研究较多的新能源电池有病毒电池、燃料电池、太阳能电池以及锂电池。其中,美国对燃料电池投入了大量研发力度,也获得了不少进展,但迄今为止,高昂的制作成本成为其向市场推广的最大瓶颈,而美国近期出台的新能源政策也对燃料电池的研发不利。相对而言,锂电池材料则在最近一段时间内被认为是更具潜质的节能电池,而受到各科研机构和企业界的青睐。此外,太阳能电池材料的研究主要集中于光能转换的效率提高上。作为病毒电池材料的无害病毒也为新能源电池材料的研发开拓了新的思路。总体而言,新能源电池的研究方向主要集中在制造成本的降低和储电能力的提高两方面上。
(一)无毒病毒电池储电力的提高
近两年来,各色材料制成的电池相继问世,“病毒电池”就是其中之一。美国麻省理工学院在此领域的研究处于领先地位。2009年4月,该机构使用结构简单易控制的对人体无害的M13病毒作为材料,研制成充放电可超过100次且不损失电容的“病毒电池”,虽然其性能较目前最为先进的新能源电池——磷酸铁锂电池仍存在差距,但其无毒、且适于在室温下运作和室温以下制备的优点,使之成为有开发意义的新能源材料,有望在未来运用到便携式电子装置和混合动力汽车中去。
(二)燃料电池的性能提高和制备成本的降低
燃料电池是近三年来新能源电池研究方面的重点领域,抑制燃料电池产业化的瓶颈是其高昂的制造成本、供能限制和运行环境的限制,其中成本过高是最主要问题。为解决这三大瓶颈,美国投入了大量人力物力,并取得了一定进展。但随着奥巴马总统对于氢能源汽车研发拨款的削减,该国在此方面的研究进展将可能放缓。韩国、澳大利亚和西班牙等国近两年在该领域也有所成果。目前,科学家们对于含氮碳材料在燃料电池制造方面的研究比较多。
 
美国威斯康星大学和马里兰大学的科研人员开发出可用于质子交换膜燃料电池的新型纳米催化剂,能够帮助电池获取更多氢,用以供能;该国戴顿大学的科学家们发现掺杂氮的碳纳米管有可能替代昂贵的铂催化剂;麻省理工学院则研制出可使甲醇燃料电池更高效运作的新薄膜材料;美国迈阿密大学、国家标准化与技术研究所、加州理工学院、维吉尼亚大学等机构也都在可用于燃料电池的储氢材料方面进行研究,并获得了一定成果。韩国科学家在研究高分散铂电极载体时发现,含氮碳材料可制备成本相对低的高分散铂纳米粒子的载体;该国三星综合技术院的科研人员则确认了铂钌在电池运行中的分解现象,为解决燃料电池耐用性问题提供了实验基础。澳大利亚科学家也在寻找能够代替昂贵铂电极的材料,并取得进展。西班牙则联同美国科学家一起实现了室温下运行燃料电池的实验。
(三)太阳能电池涂层材料的光能转换率提高和机理分析
太阳能电池的研发和应用历时已久,但目前使用的太阳能电池仍存在光能转换率低和成本较高的问题。美国佛罗里达大学和波特兰州立大学的科学家正在研发模仿飞蛾复眼的防反射太阳能涂层材料,并已在单晶硅片上得到实现,但尚不能运用到多晶硅上;芝加哥西北大学对有机薄膜太阳电池的正极进行涂布处理,使单元转换效率由原来的3~4%提高到5.2~5.6%;美国圣母大学制备出具有多种尺寸量子点的太阳能电池,可以通过改变半导体量子点的大小,使电池吸收特定波长的光线;南佛罗里达大学的科学家成功研制出可溶解并印刷在柔性材料上的聚合物电池材料,有望使太阳能电池的使用场所更为广泛;伦斯勒理工学院、加州大学也都在致力于太阳能电池性能提高的研究。此外,荷兰代夫特理工大学和物质基础研究基金会(FROM)的科学家再一次证实了此前对于太阳能电池存在“雪崩效应”的猜想:即在一些太阳能制备材料中,一个光子可释放出不止一个电子,从而大大提高电池效率的猜想,为揭开这一奇特现象奥秘铺设了一条道路;澳大利亚国立大学的研究人员则于2009年初发现金属纳米微粒具有增强太阳能电池性能的潜力。
(四)锂电池的商用化和性能改善
锂电池是新兴的新能源电池材料,当前被认为是最有希望成为汽车新动力和其他电子设备动力源的电池类型。科学家正在加紧提升这类电池的性能,以期尽早将其推广商用。韩国汉阳大学化学系教授曹在弼(译名)领导的研究小组成功开发出一种三维多孔硅阴极材料,采用该材料能够将锂电池的容量提高到目前的8倍以上,充放电效率可提高到90%以上;美国莱斯大学的Pulickel Ajayan教授领导的团队自创一种工艺技术,制备出壳层为二氧化锰,芯层为碳纳米管的同轴电缆,可使锂离子电池的电极性能得到改善;该国斯坦福大学科学家发明了一种用纳米硅线材料作为阳极的新型锂电池,该电池阳极比传统充电电池的石墨阳极的储电量提高了10倍,但若要真正制成如此大电量的电池还需要研制出能储存更多电荷的阴极材料;加拿大滑铁卢大学的研究人员则于2009年5月18日宣布制成比传统锂电池容量大3倍的硫锂电池,稳定性、安全性和寿命都较传统硫电池和锂电池好。
二、生物燃料的环保性论证及新型生物燃料的研发
生物燃料自20世纪70年代以来便受到诸多国家的关注,一度成为最有希望替代石油的可再生能源。然而,现阶段,科学家们却在生物燃料是否真正环保问题上产生了分歧,对此的争议至今还未有定论,而对于生物燃料的进一步开发也仍在进行中。
 
美国明尼苏达大学的一项研究称,利用粮食作物等大规模制造生物燃料需要更多的农田,将大片森林、草地等转变为农田这一过程本身会造成碳排放,而且还会破坏森林等吸收和储存温室气体的能力。从生产和使用过程的整体来看,利用现有某些办法制造生物燃料的“净效应”并不环保,反而增加了温室气体的排放;美国普林斯顿大学的研究也显示,即使在某个地区用现有的农田来生产生物燃料,整体上也可能导致温室气体排放增加,因为这会要求其他地区增加粮食产量,结果同样会导致人们破坏森林和草地以开辟更多的农田。但也有专家认为这种观点过于简单,不能成为定论。
 
与此同时,美国农业部遗传学家Kenneth Vogel和同事仍在加紧研发新的生物燃料。先前对于庄稼纤维质燃料的试验都只在小范围内操作,农业部的科学家们则对柳枝稷进行了大规模的实验,并证实用柳枝稷制取的乙醇产生的能量是生产、收割和运输植物以及将其转化为乙醇所需要的能量的5倍。这一成果为推进农田大量种植生物燃料农作物作出了努力。
三、碳捕捉材料的研制
为抑制二氧化碳的排放,CO2的过滤材料成为科研人员的研究课题。韩国汉阳大学研制出一种可迅速过滤大量二氧化碳气体的新型塑料薄膜,可使沼气和氮气等气体自由通过,而留住CO2。接下去,研究人员需要解决的是如何用这种材料固化和压缩二氧化碳,以便于将这种气体掩埋到深海之中;美国加州大学的研究人员也开发出一种能够捕获二氧化碳分子的材料,属于“沸石咪唑酯骨架结构材料”(简称MOFs),将有利于发电厂使用无毒材料分离二氧化碳,而不用像先前那样使用毒性材料来完成分隔程序。
四、加速塑料的降解速度
可降解材料的研究早在1973年能源危机之后就倍受人们关注。可降解塑料材料——PHB(聚羟基丁酯)也已不是新奇的事物,不过,由于其易碎性和生物降解速度的不确定性,其实际应用仍然十分有限。科学界仍在研究加快这种材料的降解速度的方法。美国康奈尔大学材料科学与工程系伊曼纽尔·贾内利斯教授研究小组将纳米级黏土颗粒掺入PHB塑料中,使新型PHB塑料的性能得到了改良,可以比未改良PHB塑料降解速度快许多,有望在更广范围内得到应用。
五、铅碲铊化合物对热电转换率的提高
工业生产过程中,往往将大量热能白白浪费掉。为了有效利用这些热能,日本大阪大学教授山中伸介和美国俄亥俄州立大学同行合作,使用铅和稀有元素碲的化合物并添加少量铊,开发出在500摄氏度左右的温度下,热电转换率可达到百分之十几的新材料,而常规热电转换材料的效率只有7%至8%。
六、核废料及电子类废弃材料的有效利用
废弃材料所造成的环境污染越来越受到人们的关注,近三年来,科学家已在核废料以及电器废料处理方面取得进展。澳大利亚昆士兰科技大学物理化学系华裔副教授朱怀勇领导的研究小组经过多年努力,发明出一种可用于安全储存核废料的陶瓷纳米纤维材料,比用高分子塑料或金属制成的储存罐更为安全和廉价;英国约克大学的科研人员则研发出回收液晶显示器有效材料的新技术,对废弃材料处理后得到的物质对人体无害,可用于制造医疗器械等。
七、轮胎材料的节能化
轮胎材料的研究正向着节能的方向发展。美国俄勒冈州立大学于2009年7月宣布,该学校科研人员正在开发一种以植物提取物为主要原料的轮胎加强材料。新材料不仅能提高轮胎的性能,而且有助于降低车辆的能耗。这种轮胎加强材料的主要成分是微晶纤维素,主要从树木等植物中提取,是一种纯净的天然纤维素解聚产物。较之传统轮胎,以新材料为加强材料所生产的轮胎具有制造成本低、在湿滑和冰冻路面上牵引力强、在炎热环境下散热性好等优点。此外,它还能减小轮胎的转动阻力,从而让车辆更加节能省油。
 
 
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