纳米材料在能源与水管理中的应用

smll201470100-gra-0001-m由于人口数量的增加而引起的对安全能源和清洁水的需求仍是目前全球所面临的巨大危机。从社会经济趋势和大众需求这两方面分析,壳牌预测从2000年到2050年全球能源需求要翻三倍。根据2013年布达佩斯水峰会上公布的数据可以推测出,预计到2030年全球40%的人类将会面临淡水短缺的问题。另一方面,如果继续以低端的方式开发能源并无法实现对能源的高效利用会导致全球所生产的50%的能源被浪费。与此同时,缺水情况的发生并不是由于水资源本身的缺乏,而是缺少有效利用的方式。大多数的清洁水在使用之后就会被污染,如果不进行处理的话就会阻止其进一步的循环利用。因此,相对于将能量和水资源以一种新的方式被利用,低效率的利用和管理使其成为了一种可实现范围内的“低垂的果实”。在这方面,通过适当的工艺设计来发展新的方法去收集能量和处理水资源对现有能源的转换将是实现我们地球可持续发展的有效方式。

新加坡的能源与水资源产业目前在快速地发展,它们实现了对能源与水的生产与转换而满足所有部门的需求,这项产业在新加坡引起了激烈的商业竞争。由于自然资源的缺乏,新加坡所面临的能源和淡水资源的危机是多方面的。其中通过各项合作研究寻找创新的方法是寻求长期解决方案和弹性筹备的有效策略之一。以解决全球能源和水资源危机为目的,我们争取去探索可行或新颖的想法,这些想法可以实现对能源的有效利用和对水资源的有效管理。

纳米材料独特的化学和物理性能为提高能量收集与转换效率、实现对水资源的检测与净化提供了机会。先进的纳米材料相比于传统的体相材料不但展现了其在结构上优越的性能,比如优异的韧性、硬度、耐久性和弹性,而且在功能上表现出对宽光谱的响应和对特别物质优异的传感性能,但是体相材料是没有这种特异功能的。举个简单的例子,由于纳米材料的量子尺寸效应和有利的载体散射机制,纳米材料的热电性能体现为在其对热的低传导系数同时仍具有高的电学性质。

为了反映目前在这两个方面的研究成果,我们非常荣幸筹办并呈现以“Nanomaterials for Energy and Water Management”为主题的Small特刊。这一期包含有5篇综述文章、一篇概念性文章、四篇通讯文章和三篇全文。这些文章内容涵盖了范围广泛的纳米材料在能源和水管理方面的技术研究,包括如何合理设计与制备可以增强能量储存和转换的性能的纳米材料、如何制备由表面等离基元共振辅助以提高太阳能收集效率的纳米材料、如何制备通过不同的光学性能来检测水中污染物的纳米颗粒和能够实现水净化的纳米碳材料。这些项目都得到了新加坡总理办公室校园优秀科技企业(创建)(CREATE)国家研究基金会(NRF)的资助。

但是这个领域的发展与创新研究是离不开化学、材料科学、物理、工程以及生物学这些学科交叉的知识。在寻求全球环境可持续发展的解决途径时,纳米材料研究的重要性为这一目标奠定了坚实的基础,它不但有助于加深探索跨学科创新型解决方案而且呈现出了创新项目的螺旋式发展。我们希望这一特刊能够激励研究者设计、制造并开发新颖的纳米材料以实现对能源和水资源有效利用。随着纳米材料研究的发展,寻找有效的解决能源和水资源问题的方法是目前最为关键的方向,这些方法主要体现在以下几个方面:实现对太阳能的收集、储存和转换;实现利用废热来发电;实现用户化的能源与水管理;实现远程的水检测;实现低成本的水净化工艺。

最后我们由衷地感谢Small编辑团队宝贵的支持和专业的编辑,特别感谢Jose Oliveira和Emily Hu博士。于此同时,我们也感谢Zhongjing Jian女士和Bowen Zhu先生对特刊封面页的设计以及新加坡DP建筑师所提供的CREATE校园图片。最后,我们还要感谢我们的所有同事们,感谢他们分享自己在能源与水处理方面的研究成果。

客座编辑:

Pooi See Lee,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院的副教授。她在新加坡国立大学获得博士学位。目前的研究方向是基于纳米结构和纳米复合材料的电化学与电驱动器件研究以及这些材料在能源储存、电致变色与电子储备器件以及纳米线晶体管与传感器方面的应用研究。她目前担任材料科学与工程学院的副院长。

Xiaodong Chen,南洋理工大学副教授兼任新加坡国家研究基金会材料科学与工程学院研究员。他于1990年在中国的福州大学获得化学专业学士学位,于2002年在中国科学院获得物理化学专业硕士学位,于2006年在德国明斯特大学获得生物化学专业博士学位。随后在美国西北大学完成博士后研究后,他于2009年开始在南洋理工大学进行独立课题研究。2013年9月,他晋升为南洋理工大学副教授。他的主要研究方向包括纳米材料与生物界面研究以及实现水净化和能量转换材料的设计与制备。

原文:Nanomaterials for Energy and Water Management

翻译:王枫梅