ナノテクノロジーのエネルギー応用

世界のエネルギー需要が拡大し続ける中、エネルギーを生成および貯蔵するためのより効率的で持続可能な技術の開発がますます重要になっています。ライス大学のウェイド・アダムス博士によると、エネルギーは今後50年間で人類が直面する最も差し迫った問題となり、ナノテクノロジーはこの問題を解決する可能性を秘めています。^{[1]比較的新しい} 科学および工学の分野であるナノテクノロジーは、エネルギー産業に大きな影響を与える可能性を示しています。ナノテクノロジーは、1つの次元の長さが100ナノメートル未満の粒子を含む技術として定義されています。スケールとしては、単一のウイルス粒子の幅は約100ナノメートルです。

科学や工学の分野では、すでにナノテクノロジーを消費者向け製品の開発に活用する方法の開発が始まっています。これらの製品の設計からすでに観察されている利点は、照明や暖房の効率の向上、電気貯蔵容量の増加、エネルギー使用による汚染量の減少です。このような利点があるため、ナノテクノロジーの研究開発への資本投資は最優先事項となっています。

エネルギーに関連するナノテクノロジーの重要なサブ分野は、ナノスケールでデバイスを設計および作成するプロセスであるナノファブリケーションです。100 ナノメートル未満のデバイスを作成できると、エネルギーを捕捉、保存、転送する新しい方法の開発に多くの可能性が開かれます。ナノファブリケーション技術の精度の向上は、現在世界が直面している多くのエネルギー関連の問題を解決するために不可欠です。^{[引用が必要]}

エネルギー貯蔵のためのグラフェンベースの材料の使用には大きな関心が寄せられています。エネルギー貯蔵のためのグラフェンの使用に関する研究はごく最近に始まりましたが、関連する研究の成長率は急速です。^[2]

グラフェンは、軽量、化学的に不活性、低価格などの特性から、最近、エネルギー貯蔵用の有望な材料として浮上しました。グラフェンは、炭素の同素体であり、六角形の格子に配列された炭素原子の2次元シートとして存在します。研究コミュニティでは「グラフェン」と呼ばれるグラフェン関連材料のファミリーは、グラフェンの構造的または化学的誘導体で構成されています。^[2]最も重要な化学的に誘導されたグラフェンは、グラフェン酸化物（グラファイト酸化物の単層として定義されます。^[3]グラファイト酸化物は、グラファイトを硫酸、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムの混合物などの強力な酸化剤と反応させることで得られます^[4]）であり、通常はグラファイトから酸化グラファイトへの酸化とそれに続く剥離によって製造されます。グラフェンの特性は、製造方法に大きく依存します。例えば、酸化グラフェンを還元してグラフェンを得ると、やはり原子1個分の厚さのグラフェン構造が得られるが、ナノホールやストーン・ウェールズ欠陥などの欠陥が高濃度に含まれてしまう。^[5]さらに、比較的高い電気伝導性と可変構造を持つ炭素材料は、硫黄の改質に広く使われている。多様な構造を持つ硫黄–炭素複合体が合成され、純粋な硫黄よりも著しく改善された電気化学的性能を示しており、これは電池設計にとって極めて重要である。^{[6] [7] [8] [9]}グラフェンは、近年広く研究されている高性能Li-S電池の硫黄カソードの改質に大きな可能性を秘めている。^[2]

シリコンベースのナノ半導体は太陽エネルギーに最も有用な用途があり、京都大学など多くの場所で広範に研究されてきました。シリコンナノ粒子を利用して、電磁スペクトルからより広い範囲の波長を吸収します。これは、表面に多数の同一で等間隔のシリコン棒を配置することで実現できます。また、最良の結果を得るには、間隔の高さと長さを最適化する必要があります。シリコン粒子のこの​​配置により、太陽エネルギーがさまざまな粒子に再吸収され、電子が励起され、その結果、エネルギーの多くが熱に変換されます。その後、熱を電気に変換できます。京都大学の研究者は、これらのナノスケール半導体は、通常の太陽電池と比較して、少なくとも40％効率を高めることができることを示しました。^[10]

セルロースは地球上で最も豊富な天然ポリマーです。現在、ナノセルロースベースのメソポーラス構造、柔軟な薄膜、繊維、ネットワークが開発され、太陽光発電（PV）デバイス、エネルギー貯蔵システム、機械的エネルギーハーベスター、触媒コンポーネントに使用されています。これらのエネルギー関連デバイスにナノセルロースを含めると、環境に優しい材料の割合が大幅に増加し、関連する環境問題に対処する上で非常に有望です。さらに、セルロースは低コストと大規模化の可能性を秘めています。^[11]

1次元 ナノ構造は、エネルギー密度、安全性、エネルギー貯蔵システムのサイクル寿命を向上させる可能性を示しており、これはリチウムイオン電池の改善が必要な分野です。これらのナノ構造は、イオンと電子の二連続輸送経路が短いため、主に電池の電極に使用され、電池の性能が向上します。^[12]

さらに、1Dナノ構造は二重層化によって電荷蓄積量を増やすことができ、また、擬似容量性表面酸化還元プロセスが速いためスーパーキャパシタにも使用できます。将来的には、これらの材料の斬新な設計と制御可能な合成がさらに深く開発されるでしょう。1Dナノ材料は環境に優しく、費用対効果も優れています。^[13]

2次元ナノ材料の最も重要な特徴は、その特性を正確に制御できることです。これは、2Dナノ材料がナノ構造上で簡単に変更および設計できることを意味します。層間空間は、2Dナノ流体チャネルと呼ばれる非層状材料に対しても操作できます。2Dナノ材料は、容易な電荷および質量輸送を適用することにより、エネルギー貯蔵および触媒用途に使用するために多孔質構造に設計することもできます。^[14]

2D ナノ材料にもいくつかの課題があります。材料の特性を変更すると、活性や構造安定性などの副作用がいくつかあり、それらはエンジニアリング時に損なわれる可能性があります。たとえば、欠陥をいくつか作成すると、活性部位の数が増えて触媒性能が向上しますが、副反応も発生し、触媒の構造が損傷する可能性があります。別の例として、層間拡張により触媒反応におけるイオン拡散障壁が低下する可能性がありますが、構造安定性も低下する可能性があります。このため、性能と安定性の間にはトレードオフがあります。2 つ目の問題は、設計方法の一貫性です。たとえば、ヘテロ構造は層間空間やエネルギー貯蔵デバイスにおける触媒の主な構造ですが、これらの構造には触媒反応や電荷貯蔵メカニズムに関する理解が欠けている可能性があります。基礎知識があれば、これらの構造を設計するための一貫性のある効率的な方法が得られるため、2D ナノ材料設計のより深い理解が必要です。3 つ目の課題は、これらの技術の実用化です。 2Dナノマテリアルは保管や加工中に本質的に不安定であるため、研究室規模と産業規模の応用には大きな違いがあります。例えば、多孔質の2Dナノマテリアル構造は充填密度が低いため、高密度のフィルムに詰め込むことが困難です。これらの材料を産業規模で応用するための新しいプロセスが現在も開発中です。^[14]

リチウムイオン電池は現在、最も人気のある電気化学的エネルギー貯蔵システムの1つであり、ポータブル電子機器から電気自動車まで幅広く使用されています。^{[15] [16]}しかし、リチウムイオン電池の重量エネルギー密度は限られており、化石燃料よりも低いです。 リチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー密度を持つリチウム硫黄（Li-S）電池は、近年世界的に注目を集めています。^{[17] [18]}中国国家自然科学基金（助成金番号21371176および21201173）と寧波科学技術イノベーションチーム（助成金番号2012B82001）の研究グループは、グラフェン/硫黄/炭素ナノ複合多層構造からなるナノ構造ベースのリチウム硫黄電池を開発しました。 硫黄のナノ改質により、電池の電気伝導性が向上し、硫黄カソードでの電子輸送が改善されます。化学的に還元されたグラフェンシートの両面にナノサイズの硫黄を積層し、その上にアモルファスカーボン層を被覆した多層構造（G/S/C）のグラフェン/硫黄/炭素ナノ複合体を設計し、作製することに成功した。この構造は高い導電性と硫黄の表面保護を同時に実現し、優れた充放電性能をもたらす。G/S/C複合体は、リチウム硫黄電池用の高性能正極材料として有望な特性を示している。^[19]

人工ナノ材料は、現在の世代の太陽電池の重要な構成要素です。^[20]今日の最高の太陽電池は、異なるエネルギーの光を吸収するために積み重ねられたいくつかの異なる半導体の層を持っていますが、それでも太陽エネルギーの約40％しか使用できません。市販の太陽電池の効率ははるかに低いです（15〜20％）。ナノ構造化は、アモルファスシリコンデバイスの電流収集の改善、^[21]色素増感太陽電池のプラズモン増強、^[22]結晶シリコンの光トラッピングの改善など、既存の太陽光発電（PV）技術の効率を改善するために使用されてきました。^{[23]さらに、ナノテクノロジーは、ナノ材料の柔軟な}バンドギャップを利用すること、^{[24]または太陽光発電デバイスの}指向性と光子の脱出確率を制御することによって、光変換の効率を高めるのに役立ちます。^[25] 二酸化チタン（TiO _{2 ）は、低コスト、環境無害性、豊富な}多形、良好な安定性、および優れた電子的および光学的特性のため、過去数十年にわたって太陽電池用として最も広く研究されてきた金属酸化物の1つです。 ^{[26] [27] [28] [29] [30]しかし、その性能はTiO} ₂材料自体の特性によって大きく制限されます。 1つの制限はバンドギャップが広いため、TiO _{2 は}太陽光スペクトルのわずか5％未満を占める紫外線（UV）にのみ敏感になります。^[31]最近、コアシェル構造のナノ材料は、個々のコンポーネントを機能システムに統合し、分離されたコンポーネントでは得られない改善された物理的および化学的特性（安定性、非毒性、分散性、多機能性など）を示すため、大きな注目を集めています。^{[32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40]} TiO ₂ナノ材料の場合、このコアシェル構造の設計は、その欠点を克服し、性能を向上させる有望な方法となるでしょう。^{[41] [42] [43]単独のTiO} ₂材料と比較して、コアシェル構造のTiO ₂複合材料は、調整可能な光学的および電気的特性、さらにはユニークなコアシェル構造に起因する新しい機能を示します。^[31]

ナノ材料は、エネルギー消費を削減するためにさまざまな方法で使用できます。ナノ粒子燃料添加剤も、炭素排出量の削減と燃焼燃料の効率向上に非常に役立ちます。酸化セリウムナノ粒子は、表面積対体積比が高いため、未燃焼炭化水素やその他の小さな粒子排出物の分解を触媒するのに非常に優れていることが示されています。また、エンジンの燃焼室内の圧力を下げてエンジン効率を高め、NO _x排出を抑制する効果もあります。^{[44]カーボンナノ粒子の添加により、ジェット燃料の}燃焼速度と着火遅延も向上しました。 ^[45]ある研究では、バイオディーゼル燃料とディーゼル燃料への鉄ナノ粒子添加剤により、燃料消費量と炭化水素の体積排出量が 3～6%、一酸化炭素が 6～12%、窒素酸化物が 4～11% 減少することも示されています。^[46]

ナノマテリアルは燃料のエネルギー効率をいくつかの方法で高めることができるが、その使用の欠点はナノ粒子が環境に与える影響である。燃料に酸化セリウムナノ粒子を添加すると、これらの有毒粒子が微量に排気ガス中に放出される可能性がある。ディーゼル燃料に酸化セリウムを添加すると、ラットの肺炎と気管支肺胞洗浄液の増加を引き起こすことがわかっている。^[44]これは、特に道路交通量が多い地域では、これらの粒子が蓄積して健康に悪影響を及ぼす可能性があるため、懸念される。ディーゼル燃料の不完全燃焼によって生成される天然のナノ粒子も、ディーゼル排気ガスの毒性の大きな原因である。燃料に人工ナノ粒子を添加すると、燃焼による有毒粒子の正味排出量が減少するかどうかを判断するには、さらに研究を行う必要がある。^[44]

エネルギーの捕捉、転送、および貯蔵に関してナノテクノロジーを使用するという比較的最近の傾向は、社会に多くのプラスの経済的影響を及ぼしており、今後も及ぼし続けるでしょう。ナノテクノロジーが消費者製品の科学者やエンジニアに提供する材料の制御は、ナノテクノロジーの最も重要な側面の 1 つであり、さまざまな製品の効率向上を可能にします。ナノテクノロジーの使用によるエネルギーの捕捉と貯蔵の効率化は、ナノ材料の製造コストが開発の進展とともに低下するため、将来的にはエネルギー コストの削減につながる可能性があります。

現在のエネルギー生成における大きな問題は、燃焼の副産物として廃熱が発生することである。その一般的な例は内燃機関である。内燃機関はガソリンのエネルギーの約64%を熱として失っており、これを改善するだけでも大きな経済的効果が得られる可能性がある。^[47]しかし、この点で内燃機関を改良することは、性能を犠牲にすることなく非常に難しいことが証明されている。ナノテクノロジーの使用による燃料電池の効率改善は、分子的に調整された触媒、ポリマー膜、および改良された燃料貯蔵を 使用することで、より実現可能と思われる。

燃料電池、特に水素型燃料電池を作動させるには、水素原子の陽子から電子を分離するための貴金属触媒（通常は非常に高価な白金）が必要である。 ^{[48]しかし、このタイプの触媒は}一酸化炭素反応に非常に敏感である。これに対抗するために、アルコールまたは炭化水素化合物を使用してシステム内の一酸化炭素濃度を下げる。ナノテクノロジーを使用すると、ナノファブリケーションを通じて不完全燃焼を制限し、一酸化炭素の量を減らしてプロセスの効率を向上させる触媒を設計できる。

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