一些新材料在能源工程领域的应用

一些新材料在能源工程领域的应用

材料的定义

新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。

新材料的分类

新材料按结构组成分，有金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分，有结构材料和功能材料。按照新材料的用途和性质，《中国新材料产品与技术指导目录》将新材料产品分为新型金属材料、新型建筑材料、新型化工材料、电子信息材料、生物医用材料、新型能源材料、纳米及粉体材料、新型复合材料、新型稀土材料、高性能陶瓷材料、新型碳材料、新材料制备技术与设备等十多类具体技术领域。

而关于新材料在能源工程领域的应用更加宽泛，主要分为两个大的方面：第一：能源转换材料；第二：储能材料。

参考一些文献之后，我打算从以下几种材料来介绍新材料在能源工程领域中所起的作用：低维功能纳米材料【1】、稀土催化材料【2】、碳纤维复合材料【3】、高压组装超分子材料【4】、高温合金【5】、新型多孔碳材料【6】、金属多孔材料【7】、铁的氧化物材料【8】及钨钼钒锰基氧化物微纳材料【9】。

具体应用举例

低维功能纳米材料

在众多的能源相关领域，锂离子电池，超级电容器以及电催化分解水是三种非常重要的能源存储和转化途径。高能量密度的锂离子电池和高功率密度的超级电容器作为两种能源存储方式在生活中有着广泛应用，而电催化分解水制氢/产氧反应是将电能转换为清洁的氢能的重要能源转换方式。由此，设计具有优异性能的电极材料和电催化剂是促进能源存储和转换领域发展的重要因素。相较于传统的体相材料，低维度纳米材料，如一维的纳米线、纳米棒以及二维的纳米片等材料由于更小的尺寸，更大的比表面积，更髙的表面能等特征使得它们具有体相材料所不具有的特殊的小尺寸效应、表面效应以及量子限域效应等，这些效应使得它们能够在锂离子电池，超级电容器以及电催化分解水等多个能源存储和转换领域表现出优异于体相材料的良好性能，并且为人们研宄不同形貌和不同的晶体结构、电子结构等精细结构在这些领域中的作用提供了一个研宄平台。

碳纤维复合材料

以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构

/功能一体化材料，在电力生产和输送、石油开采、压缩天然气储存、电动汽车等新能源领域中发挥着不可替代的作用。如果说碳纤维复合材料在航空航天领域的应用和规模代表了其技术的成熟度和水平，那么，为了解决全球气候变暖、温室气体排放等环境问题，碳纤维复合材料在新能源领域的应用更是我们值得关注和努力的方向。目前，随着国产化碳纤维低成本制造与应用技术的突破，我国在投、计划投资的碳纤维产能已经超过了50 000t/a。

稀土催化材料

利用稀土元素的催化性质，将其制成催化材料可应用于机动车尾气净化、工业废气及人居环境净化、电厂及炼油厂的催化燃烧、燃料电池中的固体氧化物电极及电解质等能源环境领域。在这些领域中稀土元素起着不可替代的至关重要的作用。

稀土催化材料在能源、环境中的应用研究，涉及到材料科学、催化科学、能源科学和环境科学等，需要从多学科、多角度进行交叉研究，才能取得突破，其背后是稀土工业、新材料和新能源的广阔市场和巨大的经济利益。因此，抓住国家能源结构调整和发展环保产业的契机，大力发展高性能稀土催化材料，推动稀土产业的跨越式发展，将我国的稀土资源优势转化为技术优势和经济优势。

高压组装超分子材料

超分子科学被誉为“超越分子的科学”。具体讲，超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间弱作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。最后，我们将高压助组装的思路应用到能源材料的研究中，室温下分别对硝酸尿素（UN）和硝酸乙脒（AN）进行0-26 GPa-0 和0-12 GPa-0 高压处理。UN 具有由脲正离子和硝酸根负离子通过氢键连接成的二维氢键网状结构。结果表明，UN 在9-15 GPa 区间发生结构相变，对称性由P21/c 变为Pc。相变机理为氢键网络由二维变为三维。完全卸压后UN 保留住高压新相。与初始结构比，新相体积减小10.6%，密度提高了11.8%。考虑一级近似下，炸药的爆速和密度成正比，UN 新相可能具有更高的爆炸威力。AN可以看作是将UN 中的羟基用甲基取代后得到的超分子晶体，同样具有二维氢键网络结构，层内乙脒和硝酸根离子组成离子对。甲基不参与形成氢键，可以降低二维氢键层的稳定性和相变压力。结果表明，AN 在 1.3-3.4 GPa 区间转变为新相，对称性由P21/m 变为P-1。相比于UN，相变的临界压力降低。卸压后，AN 保留住新相，即我们制备出AN 的高密度相。压力助组装过程包括甲基的扭曲和离子对间相对滑移。新相密度比初始结构高9.8%，因而具有更好的爆炸性能。这也证明压力助组装是制备优异性能超分子材料的有效方法。

高温合金材料

高温合金在能源领域中有着广泛的应用.煤电用高参数超超临界发电锅炉中,过热器和再过热器必须使用抗蠕变性能良好,在蒸汽侧抗氧化性能和在烟气侧抗

腐蚀性能优异的高温合金管材;在气电用燃气轮机中,涡轮叶片和导向叶片需要使用抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金;在核电领域中,蒸汽发生器传热管必须选用抗溶液腐蚀性能良好的高温合金;在煤的气化和节能减排领域,广泛采用抗高温热腐蚀和抗高温磨蚀性能优异的高温合金;在石油和天然气开采,特别是深井开采中,钻具处于4—150℃的酸性环境中,加之CO_2,H_2S和泥沙等的存在,必须采用耐蚀耐磨高温合金.

新型多孔碳材料

多孔炭材料由于具有电导率高、酸碱及水热稳定性强、比表面积高和孔结构发达等特点而被广泛用作电极材料、电催化剂或催化别载体，因而在超级电容器、料电池的电极反应及电化学析氢反应等新能源技术的发展中起到举足轻重的作用。Ｆｅ－Ｎ／Ｃ催化刻和碳化销修饰的包镍氮惨杂炭材料（ＭｏｘＣ－Ｎｉ＠ＮＣＶ），有效地提高了多孔炭材料对重要电催化反应ＯＲＲ或ＥＲ的催化性能，使其催化相关电化学反应的活性几乎与商业铀碳相当。这些制备多孔生物炭材料与炭复合材料的设计思想及合成方法能够为未来进一步开发高活性壤基材料提供经验，并推动相关碳基材料的工业化应用。

金属多孔材料

金属多孔材料是一种有别于金属致密材料的金属材料，其具有明显的孔隙特征，孔隙率最高可达98%。正是因为有了这些特殊的孔隙，其所具有的功能不同于一般的金属致密材料目前，金属多孔材料已经广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、生物制药等工业以及核科学技术研究领域，在其中发挥着过滤分离流体、控制流体渗透、使物质流态化、使燃烧更加高效、强化传质传热、阻燃防爆等作用。

铁氧化物材料

铁氧化物在地球上储量丰富，环境友好。研究铁氧化物在新能源领域的应用吸引着众多研究者的目光。铁氧化物在光解水制氢和铿离子电池两个领域的应用。

近年来，随着太阳能被引入微生物燃料电池领域，微生物电化学-光电化学协同产电、产燃料或净化环境的技术成为研究热点。太阳能转化的常用媒介是金属氧化物，探究其与微生物间的相互作用对认清协同机理、提高体系效率等方面有重大意义。综述了不同类型的金属氧化物-微生物相互作用的研究工作，包括微生物-金属氧化物间物理吸附作用、微生物对金属氧化物的矿化和风化作用、微生物-金属氧化物协同产电产燃料系统、金属氧化物光催化杀菌以及光电-微生物电化学协同治理有机污染物或重金属污染，提出了更高效的微生物电化学-光电化学体系的构建方法，为微生物-光催化材料协同体系的实际应用提供帮助。