纳米尺度下的燃烧，节能减排新思路
2014/8/22 千人智库
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。
于是记者特地采访了胡志宇，请其详细剖析此种听来神奇的燃烧。
问：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。
问：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。
问：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?
问：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。
问：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。
问：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。
问：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。
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