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胡志宇:纳米尺度下的燃烧

来源:千人杂志 2012-09-06 10:44:44
内容摘要: 胡志宇,国家“千人计划”入选者,上海大学纳微能源研究所所长,上海交通大学微米纳米加工技术重点实验室主任;回国前在美国能源部橡树岭国家实验室担任研究员,在美期间,主持过多项美国能源部和其他部门的研究课题,曾获“年度发明家奖”;曾发表150多篇学术论文、专题报告及特邀报告,共获得5项国际发明专利,3项国家发明专利。

胡志宇的研究成果很可能在小型电池上最先得到应用

        不要触碰火,否则会被灼伤——这是人人自小即知的常识。然而,常识也有被颠覆的时候,上海大学纳微能源研究所所长、国家“千人计划”专家胡志宇便是这样一个常识颠覆者:他发现了一种在纳米尺度下燃烧的火,即使被捧在手心,也丝毫不会灼烧皮肤。

        胡志宇的发现缘起于一个“意外事故”:2005年,他在实验室里不小心将沾有纳米颗粒的棉花球碰到了甲醇,棉花球居然冒烟了。这意味着在没有点火的室温条件下,燃烧也可以发生。

        深入研究之后,胡志宇发现这种“温柔”的燃烧有着巨大的应用前景。通过将燃料的化学能转化为电能,纳米尺度下的燃烧可避免传统高温燃烧80%以上的热能损失,而这个过程又不会产生污染物,对环境友好。如此一来,它为节能减排提供了一种全新的思路。

        近日,胡志宇接受了本刊记者的专访,详细剖析此种听来神奇的燃烧。

        低温燃烧,节能减排新思路

        《千人》:请您先简单介绍一下您正在研究的纳米尺度的燃烧。它与传统意义上的燃烧有何区别?

        胡志宇:一般来说,燃烧需要同时满足三个条件:氧气、燃料和点燃过程,但其实还有第四个条件,即尺度。如果火的尺度小于1毫米的话,它很难点燃,即使点燃了也会很快熄灭。所以说,一般意义上的火起码要等于或大于1毫米时才能够在点燃后自行维持燃烧。

        但我们正在研究的这种燃烧是纳米尺度下进行的,纳米是个什么概念呢?1纳米相当于一百万分之一个毫米。在如此微观的尺度下,如何去点燃就是个大问题,我们采用的是纳米催化燃烧的方法。酒精、甲烷等燃料在纳米催化剂的帮助下可以实现燃烧,不需要点燃这个过程。

        一般人见过的燃烧,尺度较大,是在高温下进行的,所以感觉很烫。但我们这个属于低温燃烧,摸上去只是有点温热却不会烫手。举个例子来说,如果把传统的燃烧比喻成整个足球场在起火的话,那么纳米尺度下的燃烧就是足球场中央一小块物质在起火,坐在看台上的人不会觉得这个火很灼热。

        但是在热量生产方面,它并不比传统的燃烧差,只要燃料和氧气供给充足,在纳微米尺度下,燃烧同样可以达到很高的温度,几百度、几千度都可以。

        另外,纳米催化燃烧只是发生在纳米催化颗粒的表面,因而燃烧点可以精准地控制在需要热能注入的地方。这样的燃烧特性和可控性是在宏观尺度下的燃烧所不具有的。

        《千人》:燃烧需要燃料,那您研究的这种燃烧主要用什么来做燃料?会不会产生污染?

        胡志宇:只要能和纳米催化剂发生反应的物质(包括液态物质、气态物质)都可以用来作燃料,如酒精、氢气、甲烷、一氧化碳等等。当然,固体物质是不行的,除非经过特殊的气化处理。

        可以说,我们使用的燃料都是相对清洁的,它们燃烧时排放的一般是水和二氧化碳,不会像烧煤或石油那样产生各种污染物。此外,这个燃烧过程也不需要在高温高压下进行,从而不会产生(从高温高压化学反应而来的)间接污染物,如氧化氮(酸雨的主要成分)等。

        《千人》:据说您的研究将大幅度降低燃烧时的热能消耗,提升能源利用率。为何能达到这种效果?

        胡志宇:现在大家都在谈能源危机,很多人认为能源危机的根源在于能源的枯竭,觉得煤快用完了,石油也快没有了。其实并不是完全是这样的。我认为,能源危机出现的另一个重要原因在于我们极其低下的能源利用率。比如说,你在家里用天然气烧一壶开水,只有5%的热量是用在水的加热上,其余95%的热量都浪费了。你想想,我们有多少能源经得住这种浪费?所以,提高能源利用率是关键。

        我们现在做的工作就是要提升能源利用率。我们都知道,燃烧时温度越高,做无用功的向外界散发热量就越多。根据物理学的能量守恒定律,一定量的燃料产生的能量是恒定的,如果一部分能量做了无用功,那么它就已经损耗掉了。反之,我们这种可以在室温状态下进行的纳米尺度下进行的燃烧,释放的热能仅仅局限于纳米颗粒表面,不会把热量浪费在加热周边环境上。那么,这些在高温燃烧中会损耗的能量也就还保留着,这些能量好好利用起来,不就能提高能源利用率吗?

        发电变得很简单

        《千人》:那这种燃烧产生的火可以拿来干什么?

        胡志宇:它可以用来做很多事,在不同的地方有不同的用法。但我们现阶段主要的研究方向是利用它来发电,目前的想法是通过结合纳米催化工艺和半导体工艺,将燃料的化学能直接转化为电能。

        《千人》:您在2007年首创性地提出了全固态室温纳米催化燃烧发电的概念,是不是就是指这个?

        胡志宇:是的,就是这个概念。以前的燃烧发电一般是在火电厂完成的,基本的程序是把煤、石油这些燃料点燃而产生蒸汽,蒸汽再推动涡轮机旋转带动转子发电。这样的燃烧发电过程复杂,每个环节都有各种机械运动,热量损耗的多,而且还会产生各类污染。而且对于一些需要移动的小型能源系统(如汽车),这样的工作方式完全不可取。

        我们现在研究的燃烧发电不再是通过这种机械方式,而是通过一个采用纳微加工技术的热电转换器件来完成。这个装置可以在室温下将燃料的化学能直接转化为电能,大幅度减少普通高温燃烧过程中的能量损耗,且不会有污染物质产生。

        《千人》:您刚才说的热电转化器件是不是您前两年获得的专利——高效率固态纳米结构热电能量转换器?这个装置的结构是怎么样的?

        胡志宇:就是指这个,这个装置在2010年获得美国国家专利局的批准。简单来说,这个装置的核心是一块很薄的半导体芯片,芯片上加上了催化活性材料。只要把酒精、甲烷这样的燃料加进装置,在催化剂作用下,燃料就能发热。再通过芯片,热能就可以直接转化成电能输出。

        目前,我们已经进行了相关实验,其中一个是把甲醇注入转换器,连接在另一端的LED会发亮。

        《千人》:有媒体评论,您发明的这个转换器很有可能改变能源的供给方式。您可不可以解释一下这个说法?

        胡志宇:我们都知道,现在家里用的电都是通过电线电缆从很遥远的发电厂传输过来的。这种大规模的供给电站,成本高,而且也不会很方便,如果传输途中出了故障,那么影响的绝不是一户两户人家。

        理论上来讲,如果这个装置可以用来进行大规模发电,那么以后电就不需要通过电网进行长距离输送了。只要有燃料(如家里用的天然气),每家每户甚至都可以在自己家里发电。当然了,更有可能的是做成分布式电网,比如说一个小区内组建一个小型电网,这种小型电网不仅可以减少目前集中发电所带来的输电损耗,还可以节约大量的因架线、线损等产生的成本。

        有望在3—5年产业化

        《千人》:听起来,您这项研究具有广阔的应用前景。那么,具体可以在哪些产业上得到应用?

        胡志宇:理论上来讲,只要需要电的地方都可以进行产业化应用,生活用电和工业用电都可以。比如在汽车上安装上纳米燃烧发电机系统,只要像加汽油那样给汽车发动机加上酒精,就能提供电能给电动汽车。

        但是目前,我们的研究主要还是针对小功率器件的,比如说小型可移动电源系统,可以为手机、电脑等供电。我们相信,通过未来的努力,后期完全可以在工业上得到应用。

        《千人》:那目前您这项研究进展到什么阶段了?产业化程度如何?

        胡志宇:国际上判断一项技术从实验室到产品的产业成熟度采用的是七级评判标准,如果按照这个判断,这项研究应该到了三级左右。具体来说,就是已经有了初步实验结果和实验样机,可行性已经得到了初步验证。

        下一步,我们将尽快地将相关的技术细节弄清楚,在材料上、设计上和结构上都尽量完善,取得研究和加工技术上的突破,争取在3-5年内进行产业化。

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