能源是推动人类社会进步的根本物质基础，在环境问题日益严峻和化石能源储量日益枯竭的条件下，地球已经难以为不断增长的能源需求买单。这时候，以纳米材料为主的新材料开发，为人类获取、运输、储存、分配和管理可持续清洁能源带来了曙光。新材料为新能源生产、电能和化学能储存、提高能量效率以及实现更好的能源管理体系起到了决定性的推动作用！
有鉴于此，1997年诺贝尔物理学奖得主、美国第12任能源部部长、斯坦福大学教授朱棣文、斯坦福大学教授崔屹和斯坦福大学Nian Liu博士在最新的Nature Materials中，就新材料对光伏器件、电池、太阳能与化学能转换三大可持续能源系统的研究展开了深入讨论，并展望了新材料今后在可持续能源应用中的研究方向。
图1.朱棣文、崔屹和Nian Liu
自工业革命以来，尤其是1950年以来，化石能源的燃烧带来大量温室气体排放，譬如CO2、CH4、N2O以及含氟气体等。温室效应导致大量的干旱、洪灾、海平面上升，以及诸多不可预测的灾难。
老子曰：不谙变通者，必将毁于执。开发可持续清洁能源，是人类社会不至于毁灭的当务之急和根本策略。根据目前可预测情况来看，未来可持续清洁能源将极大地依靠MOF、催化剂等纳米材料来实现碳捕获、太阳能转化、电动汽车的全面推行、建筑物的低碳化以至于最终实现碳的零排放。
图2. 未来可持续清洁能源体系
一、从光伏器件来看
太阳能模块的价格已经从2008年的3美元/W降低到2016年的0.5美元/W（按照1个太阳光照强度产生1 W计算）。2011年，美国能源部太阳能技术方案(SunShot)计划，到2020年实现发电整体成本达到0.06美元/kWh（工业）和0.09美元/kWh（住宅），到2030年实现发电整体成本达到0.03美元/kWh（工业）和0.05美元/kWh（住宅）。
在迪拜等太阳辐照强的地方，现在太阳能发电整体成本已经达到0.03-0.04美元/kWh。
图3. 太阳能面板
受荷叶启发，基于纳米结构材料的自清洁、防污、防冰、超疏水表面即将解决太阳能模块表面变脏和水汽干扰，风力发电机叶片结冰、海洋船只船体腐蚀防污等一系列问题。
太阳能综合利用正在稳步前进中……
图4. 光伏技术举例
二、从电池来看
安全、高效、耐用的可重复充电电池是电动汽车和电网应用的重要方向，现有电动汽车电池比能量已经达到200-250 Wh/kg。美国能源部计划，2022年实现电动汽车电池组件价格达到125美元/kWh。而Battery500联盟则提出了更为的宏伟目标：比能量达到500 Wh/kg，使用寿命十年，总续航里程达到15万英里。
在电网领域，高能量密度并不是最重要的，性能稳定性是首先需要解决的问题。美国能源部的目标是：重复循环使用6000次，使用寿命超过20年。
在交通运输工具和日常电子器件领域，锂离子电池是目前主流能源技术。以石墨为负极，以Li-M-O（譬如LiNixCoyMnzO2 (NMC), LiMn2O4 ,LiFePO4 和Li4Ti5O12）为正极的锂离子电池已经在电动大巴车上投入使用。其主要问题在于：负极电势太高，能量密度较低。
图5.Tesla Model S
就锂离子电池负极而言，诱惑较大的主要有Si和Li金属两种材料。1) Si的比容量是石墨的10多倍（Si：4200 mAh g-1，Li4.4Si：2100 mAh g-1, 石墨：372 mAh g-1），但是体积变化导致其寿命较差。2) Li金属材料比容量高达3860 mAh g-1,作为锂离子电池负极材料也是潜力无限。其主要问题在于枝晶产生，导致循环库伦效率低，使用寿命较短。
就锂离子电池正极而言，经过不断研究，LiNixCoyMnzO2已经实现了250mAh g-1的比容量，但是化学稳定性和结构稳定性还有很大的提升空间。除此之外，诱惑较大的主要有S正极（比容量约1700 mAh g-1）和O2正极（比容量约1700 mAh g-1， Li2O2）。但是Li-S电池和Li-O2电池也存在稳定性差和使用寿命较短的问题。
图6. 基于纳米技术的电池电极材料
过去十多年来，以崔屹教授为代表的纳米材料科学家基于纳米技术开发了一系列正极、负极、安全性能解决方案，对新型锂离子电池的大力发展起到了重要推动作用。
除了Li离子电池之外， Na离子电池、K离子电池和Mg离子电池等也在不断开发。
图8. 智能电网
对于电网而言，成本、规模化以及长期使用寿命是尤为重要的，流体电池在这方面表现出极大的潜力。问题主要在于：离子交换膜的成本较高，稳定性有待进一步提升。
图9. 流体电池技术
三、从太阳能和化学能源转化来看
虽然太阳能光伏器件和电池取得了很大的进展，但是其在体积能量密度和质量能量密度上远不及化石能源，差不多是化石能源的1%。随着发电价格降低到0.02-0.03美元/kWh，通过水裂解和CO2还原等催化反应储存高价值化学品，并将大量电能以化学燃料的形式储存将同步实现。
图10.能源催化材料（LixMoS2用于HER，Pt3Ni用于ORR）
四、新能源材料研究方向
材料科学在可持续清洁能源领域的重要性不言而喻，过去十年来也取得了许多重大突破。之前许多新材料的开发都是属于偶然发现，基于经验的试错方法和纳米尺度的分析方法则极大地加深了人们对材料的基本物理和化学理论的认识。
就可持续能源领域而言，材料科学未来的发展至少应该基于以下四个方面：
1. 气体分离和储存材料
2. 热能转换与控制材料
3. 电力电子材料
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