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千人胡志宇团队在硅片上点燃20nm超薄可图形化火

来源:纳微能源研究所 2017-11-14 13:37:42
内容摘要: 近日,国际著名学术期刊《Nano Energy》在线发布了上海交通大学纳微能源研究所胡志宇教授团队的这一成果“Creating 20 nm Thin Patternable Flat Fire”(创造20纳米二维超薄可图形化火)。

  传统的石化能源燃烧方式在给人们提供各种热能、电能的同时,其产生的固体颗粒产物也成为了现代化过程中经常被提起,时常被关注却一直没有得到解决的难题,尤其是2012年1月份PM2.5进入国内大众的视线当中,从此之后人们一直在试图解决雾霾问题。胡志宇教授在这样的背景下,结合微纳加工的手段,提出了纳米火的概念,室温下的催化燃烧从理论上可以实现“零颗粒排放”,而且纳米尺度下的表面燃烧可以实现很高的热梯度,这也为之后的应用提供了很多的可能性。近日,国际著名学术期刊《Nano Energy》在线发布了上海交通大学纳微能源研究所胡志宇教授团队的这一成果“Creating 20 nm Thin Patternable Flat Fire”(创造20纳米二维超薄可图形化火),利用微纳加工的手段,在硅片上沉积20nm厚可图形化的铂催化剂,在反应器中通入甲醇空气混合气体,这样就可以在催化剂作用下进行催化燃烧反应,催化剂上下表面会产生10摄氏度左右的温差,而这一温差可以用来发电或者其他的能量转换,并且从理论上来说催化燃烧不会产生任何固体颗粒物,是一种未来的清洁能源。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.10.054

  上海交通大学电子信息与电气工程学院胡志宇教授为通讯作者,杨钢博士为第一作者。

  一种全新的“火”,一种无焰的燃烧---纳米火

  火,自古以来都和人类历史的发展紧密相连,从历史的发展角度来说,火从最开始的做饭取暖到现代社会的工业发电,都对我们有着极其重要的影响。到目前为止,已知对火的研究大多集中在宏观尺度,包括燃烧学,火焰的等离子学研究等等。在相当长的时间里,宏观尺度的火给了人类很多便利,但是随着工业的进步,人类对燃烧的需求量越来越多,一些宏观尺度燃烧的副作用开始被我们关注,比如能量转化效率低,产生固体颗粒物等等。

  那么是否有可能在纳米尺度和二维空间上创造可以持续燃烧的火呢?这样的火是否可以有效解决宏观尺度火的副作用呢?2004年,胡志宇教授在一次实验中,发现当甲醇滴到 附着铂纳米颗粒的棉签上时,棉签在没有经过点燃的情况下发生了燃烧现象,这也揭开了胡志宇教授把尺度带进燃烧,研究二维纳米火的序幕。依托微纳米加工技术,目前已经可以在纳米级薄膜上制造出各种图案的薄膜催化剂;之前的研究也已经证明了在纳米尺度催化剂的催化作用下,甲醇可以实现室温下的自发燃烧,而且因为温度低,远远达不到等离子化的温度,所以这种燃烧是一种全新的无焰燃烧;还有研究表明催化剂的尺寸、形态特征都会对催化效果产生非常大的影响,通过化学方法制备的纳米催化剂在尺寸、位置和形貌上会出现一些不确定性,这些会影响到催化效果,而通过微纳加工手段制备的催化剂则能很好得控制催化剂的形貌特征。正是因为这些,胡志宇教授团队通过微纳加工的手段在硅片上成功制备出了20nm厚的薄膜催化剂,该催化剂的尺寸、形状和位置都可以根据需要准确控制。制备出的薄膜催化剂可以在通入甲醇后发生催化反应,催化剂表面的温度可以在很短的时间内升高10摄氏度左右,相当于一个低温无焰的火在硅片上熊熊燃起,它不会产生烟,理论上不会产生任何污染,产物只有二氧化碳和水。我们可以准确控制这种火的位置、形状乃至温度,可以利用它的温度特性来进行能量的装换,通过研究,纳米尺度催化燃烧的转化效率要高过传统的燃烧转化效率。这是一种全新的“火”,一种有无限可能性的“火”。

  小到纳米的尺度,高的转化效率,快的温度响应,均匀的温度分布以及大的温度梯度

  通过SEM和TEM可以很清晰得看到催化剂的厚度在20nm左右,该文章第一次在这种尺度上研究燃烧以及纳米尺度燃烧的相关性质。这种纳米尺度的火有很多不同于传统燃烧的特性,通过研究表明当基底温度升高到100时甲醇的转化效率接近100%,基本上实现了完全转化,这对于传统的燃烧很难达到;另外,在通入甲醇后几秒钟的时间内,催化剂表面的温度就可以上升10摄氏度左右,我们还可以通过改变催化剂的基底或者载体材料以及催化剂本身的形貌对温度响应速度进行准确的调控;通过红外显微镜,可以看到催化剂表面的温度分布非常均匀,有无催化剂区域边界处温度断层式变化很清晰,这种均匀的温度分布可以为之后的应用提供很大的便捷条件;最后也是最重要的一个特性就是这种纳米尺度的催化燃烧有很大的温度梯度,目前的研究成果是20nm的薄膜材料有10摄氏度左右的温差,如果通过一定的手段将这个温差加在热电材料的上下表面,通过计算可以出现很大的电流,这也为纳米火未来的应用提供了很好的研究方向。

  纳米火相比于传统意义上的燃烧来说,在很多特性方面具有比较大的优势,每涉及到一个新的领域,就好像航行在一条从未有人航行过的河流之上,不知道尽头如何,只有走过才能看到尽头的风景。纳米火就像是这样一条河流,没有人可以定义它的未来,但是通过它特殊的性质可以预见,它极有可能改变人类对能源的利用方式并且在未来展现出极强的生命力和竞争力。

  未来展望

  纳米火的发现绝不是尽头,实现其应用才是最终的追求,纳米火的发现让“芯片上的发电厂”不再是一句空话,我们能够看到其在未来实现的可能性,但还需要很长的一段路要走。我们需要开发能够将催化剂结合到微型装置上的方法,我们需要积极寻找更好的热电材料,我们需要去探索纳米火更多的应用领域,我们需要以纳米火为平台站到更高的地方去努力改变能源的利用方式,我们可以通过纳米火去进行更多有意义的研究。

  我们有理由相信,纳米火将点亮未来的地球,就像很久很久之前那道雷电落在人类祖先面前点燃的那团火一样,在人类历史上写下重要的篇章。

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