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引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。 研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 1研究形状和趋势 纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。 纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望， 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（nsf）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国darpa（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 ogala计划、erato计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资亿美元。据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从亿美元增 加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。 2国际动态和发展战略 1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息 题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴 起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原亿美元的资助强度提高到亿美元。《美国商业周刊》8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是德科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。 最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。 3国内研究进展 我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。 目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学 研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达 92％，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常hall－petch效应。 近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到 3mm 3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国《科学》杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为2～3mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1～2个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国《自然》杂志上。英国《金融时报》以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3～40urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆，该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（crn）、磷化钴（cop）和硫化锑（sbs）纳米微晶，论文发表在1997年的《科学》杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜中用中温（70℃）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为“稻草变黄金---从四氯化碳（cc14）制成金刚石”一文，予以高度评价。 我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，中科院上海硅酸盐研究所、南京大学、中科院固体物理所、中科院金属所、物理所、中国科技大学、清华大学和中科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的中坚力量。 在过去10年，我国已建立了多种物理和化学方法制备纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导cvd、等离子加热气相合成等10多台制备纳米材料的装置，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、微乳液水热、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。 综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，其中纳米碳管和纳米团簇在1998年度欧洲文献情报交流会上德国马普学会固体所一篇研究报告中报道中国科技工作者发表论文已超过德国，在国际排名第三位，在国际历次召开的有关纳米材料和纳米结构的国际会议上，我国纳米材料科技工作者共做邀请报告24次。到目前为止，纳米材料研究获得国家自然科学三等奖1项，国家发明奖2项；院部级自然科学一、二等奖3项，发明一等奖3项，科技进步特等奖1项；申请专利 79项，其中发明专利占50％，已正式授权的发明专利6项，已实现成果转化的发明专利6项。 最近几年，我国纳米科技工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和称赞。在《自然》和《科学》杂志上发表有关纳米材料和纳米结构制备方面的论文6篇，影响因子在6以上的学术论文（phys．rev．lett，j．ain．chem．soc ．）近20篇，影响因子在3以上的31篇，被sci和ei收录的文章占整个发表论文的 59％。 1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。4 纳米产业发展趋势（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。(3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。(4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。(6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入wto后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。1999年8月20日《美国商业周刊》在展望21世纪可能有突破性进展的领域时，对生命科学和生物技术、纳米科学和纳米技术及从外星球上索取能源进行了预测和评价，并指出这是人类跨入21世纪面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪先进的国家。挑战严峻，机遇难得，我们必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，加速知识创新和技术创新，为21世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。编者按：激动人心的纳米时代已经到来，人们的生活即刻将发生巨大的变化，然而，我们也要清醒地看到，市场上真正成熟的纳米材料并不是很多。中科院院士白春礼院士认为，“真正意义的纳米时代还没有到来，我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。”白春礼说，“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。”纳米科技发展到今天，距离纳米时代的到来还有多远呢，白春礼说，“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。”对于纳米科技，科学的态度是积极参与，脚踏实地地推动这一前沿科技的健康发展，既不需要商业炒作，也不需要科学炒作。
2007 纳米技术给我们带来了哲学摘要：纳米技术是指在纳米尺度的物质正在准备，研究和工业陶瓷材料的产业化和利用纳米材料的研究和产业化跨越综合技术体系。纳米技术的发展扩大人类认识微观世界的能力，你可以探索微观尺度上的神秘男子和世界。另一方面，我们也应该看到纳米技术应用不当带来的灾难，本文总结了纳米技术成果的基础上的哲学辩证思维运用纳米技术危害。 关键词：纳米技术的哲学思考解决方案1文本纳米技术及其成就1 .1什么是纳米技术纳米namometer是英文的音译，是一个物理的计量单位，一纳米是一米的十亿分之一，相当于45个原子排列起来的长度。通俗点说，相当于万分之一的人的头发丝的厚度。就像毫米，微米，纳米尺度的概念，并没有物理意义。当物质到纳米尺度后，这个范围是1-100纳米的空间，材料性能就会发生突变，也有特殊的性质。这是两个不同的原子，分子，也不同于宏观性质的材料组合物的特定的材料，即纳米材料从原来的组合物。如果只有在纳米尺度，并没有特殊性能的材料，不能被称为纳米材料。在过去，人们只注意原子，分子或空间，而往往忽略了中间的领域，这一领域实际上是丰富的性质，但以前不知道这个尺度范围的性能。纳米尺度性能的小尺寸效应，表面积效应，量子尺寸效应。的第一个实现，它的性能并引用纳米概念的是，日本科学家，他们是在20世纪70年代与超微离子蒸发的方法，和其性能通过研究发现，：一个导电，导热的铜，银导体做后纳米尺度，也就失去了其原有的性质，显示出既不导电，也不导热系数。磁性材料，也类似的铁 - 钴合金中，使约20-30纳米的大小，磁畴变成单磁畴，它是比原来的磁高1000倍。 20世纪80年代中期，人们这种材料正式命名为纳米材料。 ＆NBS工艺陶瓷模具P; 纳米技术纳米技术是指以至100纳米纳米材料研究领域是最有活力未来的经济和社会发展具有非常重要的影响的研究对象，但也是最积极在纳米技术，最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了令人瞩目的成就。例如，存储密度每平方厘米的磁量子磁盘纳米棒阵列，低成本，高效率的发光纳米波段可调谐激光器阵列，价格低廉的高能量转换纳米结构太阳能电池和热电转换元件，400克一个轨道炮道轨烧蚀的高强度和高韧性纳米复合材料的出现，它表明它是一个新的支柱产业，在国民经济和高科技领域的应用潜力。正如美国科学家估计，“这个微小的隐形人可能给物质在各个领域带来了一场革命。”纳米材料和纳米结构的应用将如何调整国民经济的支柱产业的布局，设计新产品，形成新的产业和高新技术改造传统产业进入了新的机遇。纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了一个新的水平的性质的认识，是知识创新的源泉。由于纳米尺度的结构单元（1100urn）和许多材料的特征长度，如电子的De布鲁奥预定的波长，超导相干长度，隧穿势垒的厚度，强磁性的相当关键的尺寸，从而导致纳米材料和纳米结构的物理和化学性能是不同的，从微观的原子，分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然，创造知识的能力延伸到宏观和微观之间的物体之间的中间领域。纳米材料的诞生状态多年来在各个领域所取得的成就的影响和渗透一直引人注目。在20世纪90年代，纳米材料的内涵扩大的领域逐步拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接非常紧密，实验室成果转化速度之快出乎人们期望，基础研究和应用研究已取得重要进展。 4纳米技术产业的发展趋势（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在中国也占有举足轻重的地位。 2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿元。纳米技术在信息产业的应用主要表现在三个在我的眼里纳米方面：①网络通信，宽带网络通信，纳米结构器件，芯片技术和高清晰度数字显示技术的论文。因为不管通讯，集成或显示，原器件，美国已经工作，现在是一个单一的电子设备，隧道电子器件，自旋电子器件，该设备已在实验室研制成功，并可能在2001年年进入市场。 ②光电子器件，分子电子器件，巨磁电子器件，我国仍落后在这方面，但这些原始设备进入商品市场，甚至10年，所以中国到15年至20年这方面的研究提前。 ③关键纳米网络通信设备，如网络通信激光器，滤波器，谐振器，微电容，微电极等，我们的研究水平并不落后，仅安徽省。 ④压敏电阻，非线性电阻等，可以进行，添加氧化锌纳米材料。 （2）环保产业在纳米技术：纳米技术在空气中20纳米和200纳米的水污染物是不可替代的技术。要清理环境，我们必须使用纳米技术。现在，我们已经成功地制备甲醛，氮氧化物，一氧化碳可降解的移动设备，使超过10ppm的有害气体降低到的空气，该装置已进入实用化阶段的生产;使用多孔小球的组合光催化纳米材料已成功地用于有机废水降解苯酚和其他传统技术难以降解有机污染物，具有良好的降解效果。近年来，许多公司都致力于光催化纳米技术处理等行业，并改善水质，已初见成效，稀土氧化铈纳米组合技术和贵金属加工设备，汽车尾气的效果很明显的转变，治理在淡水藻类污染所造成的近期初步研究已成功地在实验室里。 （3）能源与环保纳米技术：合理利用传统能源和新能源的发展是我们当前和今后的一项重要任务。在传统能源的合理利用，现在主要是清除剂，促进剂，使煤燃烧，燃烧他们从流通，减少硫的排放量，不再需要辅助装置。此外，纳米技术的使用，以提高汽油，柴油燃料添加剂已经，事实上，它是一种可燃液体簇的小分子物质，燃烧，净化。在开发新能源的国内外进展迅速，成为非可燃气体，可燃气体。研发现在是一个主要的国际能源转换材料，也做了，它包括太阳能转化成电能，热能转化为电能，化学能转化为电能。 （4）纳米生物医药：这是国家加入WTO后最有前途的领域之一。目前，国际医药产业正面临着新的决定，那就是用纳米尺度发展制药产业。纳米生物医学必要的物质从植物和动物中提取，然后在纳米尺度组合，以最大限度地提高疗效，这正是的想法？中国中医药。提取后，在本质上，有几的骨架，如人体可吸收糖，淀粉，使其效率和有针对性的药物释放。传统药物的改进，利用纳米技术可以提高一个档次。 （5）纳米技术和新材料：纳米技术和新材料虽然不是最终产品，但是是非常重要的。据美国估计，到21世纪30年代，汽车40％的钢材和金属材料是轻质，高强材料来取代，这样可以节省燃气40％以上，减少二氧化碳排放量40％，在这一个，你可以每年100美元亿美元，并创造社会效益。另外，各种功能性材料，玻璃的透明性，但重量重，具有纳米改进它，这样它变得更轻，所以，这种材料不仅是力学性能，而且还具有其他功能，以及光的颜色，光存储，反映各种紫外线，红外线，光的吸收，存储等功能。 （6）纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，目前被切成纳米技术，纳米技术和传统产业结合最好的机会在所有技术领域。首先，家电，轻工，电子等行业。合肥美菱集团从1996年开始研制纳米冰箱，可折叠PVC磁性冰箱门封不发霉，使用抗菌涂料里面的水果是使用纳米材料，轻工业的发展，电子产品和家用电器可以带动涂料，材料，电子原器件等行业，其次是纺织业。人造的纤维和纺织行业的发展趋势，中国进入WTO纺织品能够占据一个有利的位置，现在必须充分应用纳米技术，纳米材料。去年在绝缘，保温衣的电视宣传，纳米技术的应用，有一些特殊的功能，防静电，阻燃等，纳米导电材料组装到里面，可以是11万伏的压力，人体盾牌，在这方面的应用纳米技术的纺织行业形势看好;三，电力行业。使用纳米技术的20万伏和11万伏变压器传输瓷轮可以增加11万伏电击性能瓷器釉，无霜，别人是整体性能非常不错;第四是建材行业的油漆和涂料，包括各种陶瓷釉料，油墨，纳米技术干预，可以使产品的性能升级。 发展纳米技术和材料的不断发展给我们的生活发生了翻天覆地的变化，极大地改变我们的生活，但纳米材料的安全问题引起人们的关注。 反射纳米技术从“纳米牙膏的”纳米护肤霜“，”，已知全球使用纳米技术产品市场上已经有超过300种。纳米技术开始走入人们的生活区。与此同时，人们可能纳米材料，潜在的安全问题一直是心有余悸。 早在三年前，有几个人的报告“纳米”这个极具潜力的新兴技术的困惑。在2003年的美国化学学会年会上，有三个研究小组发表纳米材料的毒性特别报告。美国航空航天局的研究小组发现，碳纳米管会进入肺泡形成肉芽肿，这是典型的结核病。杜邦公司的一个研究小组也发现了类似的结果。罗切斯特，纽约大学的研究人员使老鼠含有PTFE粒子直径为20nm，在空气中15分钟，并在接下来的4个小时内亡的老鼠，被暴露，而另一组用直径为120nm的颗粒在空气中，则安然无恙。该研究小组还发现另一项实验中纳米粒子能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。 目前，纳米技术的注意力集中在安全问题：纳米粒子对人类健康和对环境造成的负面影响的潜在风险。虽然纳米材料的毒性问题，现在说还不清楚，但专家们一致认为需要进行专门研究纳米技术的潜在风险及其不利影响。 纳米技术术语---麻省理工学院的埃里克·德雷斯勒，早在1986年发表的“创建由发动机的发明者，”一书上的各种物质的原子大小的纳米技术的操作的详细说明现状，未来发展潜力和危险。使他不仅引发了对纳米技术的兴趣，也让许多人担心未来的纳米技术。 “纳米技术是远远高于它的好处的风险。”在整个20世纪90年代，这种说法一直在科学界普遍。 2000年底，“发现”杂志评选其顶部的20个危险的21世纪，纳米技术和行星撞击地球，一个全球性的流行病，被列为其中之一。因此，在科学家眼中，纳米技术是危险的，它在哪里？它开始谈论斯勒。在他的书中，德雷斯勒想象的东西称为“钳工”通过原子的纳米机械取放，分子大小的人造纳米机器可以像人体一样，蛋白质和酶，制造出的东西，如电视和电脑---当然，也包括自己。因此，科学家们开始担心：如果你可以听这些人钳工商誉命令的，肯定是一件好事，但如果控制程序错误或恶意使用，想一台电脑蠕虫无限自我复制无限期的，从而覆盖和破坏整个地球？ 相关阅读：新型建材+碳纳米管纪事ChroniclesofCarbonNa的... 发表于2007-12-1800：41 |碳纳米管世界现代设计史论文佛山陶瓷模具纪事八发件人：... 什么新型建材科学家看未来的世界关键字：创新和技术的发展，世界各国，人是未来人类服装的未来世界粮食低热量低胆固醇随着现代科技的飞速发展...... 新大楼！技术融入人文科学知识，科学新闻科学论文陶瓷材料科学家都有这样的感觉：其实他们是 - 探索宇宙秘密的，它不是最终体积小的纳米技术研究课题... 科技新闻::纳米孩子的父亲在眼里新型建材今年刚40岁的王中林博士是一位美国教授在佐治亚理工学院，乔治亚理工大学纳米氧化物陶瓷学校和材料科学... ，新型建材科学家希望未来的世界关键词：发展中世界的国家，人是未来人类的创新和技术的服装未来世界粮食低热量低胆固醇随着现代科技的飞速发展...... 新型建材，科学家希望未来的世界关键词：发展世界各国的未来人类的创新和技术的人们的穿着未来世界食品低热量低胆固醇随着现代科学技术的飞速发展......
1. Guo-hua Chen, Jie-chang Di, Hua-rui Xu, Min-hong Jiang, and Chang-lai Yuan. Microwave Dielectric Properties of Ca4La2Ti5-x(Mg1/3Nb2/3)xO17 Ceramics, Journal of the American Ceramic Society, (4): 1394-1397 (SCI&EI)2. Jie-chang Di, Guo-hua Chen, Mei-zhen Hou, Chang-lai Yuan, Hua-rui Xu, Chang-rong Zhou. Low loss and middle permittivity of (1- x) Ca4La2Ti5O17-xNdAlO3 dielectric resonators with near-zero temperature coefficient of the resonant frequency, Journal of Materials Science, 2012, 47:2271–2277(SCI&EI)3. Guo-hua Chen, Jie-chang, Ming Li, Ian M Reaney, Yan Lei, Hua-rui Xu, Chang-rong Zhou, Min-hong Jiang, Xin-yu Liu. Synthesis, microstructure and microwave dielectric properties of Ca4-xMgxLa2Ti5O17 ceramics, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2012, 23:746-752 (SCI&EI)4. Guohua Chen, Meizhen Hou, Yan Bao, Changlai Yuan, Changrong Zhou, Huarui Xu. Silver Co-Firable Li2ZnTi3O8 Microwave Dielectric Ceramics with LZB Glass Additive and TiO2 Dopant, International Journal of Applied Ceramic Technology, 1–10 (2012) DOI: (SCI&EI)5. Guo-hua Chen, Wen-jun Zhang, Xin-yu Liu, Chang-rong Zhou. Preparation and properties of strontium barium niobate based glass-ceramics for energy storage capacitors, Journal of Electroceramics, 2011, 27:78–82(SCI&EI)6. Minhong Jiang, Xinyu Liu, Guohua Chen. Phase structures and electrical properties of new lead-free ceramics, Scripta Matarialia, 2009, 60 (10): 909-912 (SCI&EI)7. Mei-zhen Hou, Guo-hua Chen, Yan Bao, Yun Yang, Chang-lai Yuan. Low-temperature firing and microwave dielectric propertiesof LBS glass-added Li2ZnTi3O8 ceramics with TiO2, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2012. (DOI ) (SCI&EI)8. Guo-hua Chen. Sintering, crystallization, and properties of CaO doped cordierite-based glass-ceramics, Journal of Alloys and Compounds，2008, 455(1-2):298–302 (SCI&EI)9. Guo-hua Chen, Hua-rui Xu, Min-hong Jiang. Effect of vanadium doping on sintering and dielectric properties of strontium barium niobate ceramics, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2010, 21:168–172 (SCI&EI)10. Chen Guo-hua, Liu Xin-yu. Sintering, crystallization and properties of MgO-Al2O3-SiO2 system glass-ceramics containing ZnO, Journal of Alloys and Compounds, 2007, 431(1-2):282-286 (SCI&EI)11. Guo-hua Chen, Bing Qi. Microstructure and dielectric properties of CBS glass-doped ceramic system，Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2009, 20 (3):248-252 (SCI&EI)12. Guo-hua Chen, Jun-tao Liu, Hua-rui Xu, Chang-rong Zhou, Min-hong Jiang, Xin-yu Liu. Low-temperature synthesis of ultrafine powder and its characteristics, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2011, 22:915–919 (SCI&EI)13. Guo-hua Chen, Bing Qi. Effect of CASP glass doping on sintering and dielectric properties of SBN ceramics, Journal of Alloys and Compounds, 2009, 473: 414–417（SCI&EI）14. Guo-hua Chen, Lin-jiang Tang, Jun Cheng, Min-hong Jiang. Synthesis and characterization of CBS glass/ceramic composites for LTCC application, Journal of Alloys and Compounds，2009, 478:858–862 (SCI&EI)15. Chen Guo-hua, Liu Xin-yu. Influence of AlN addition on thermal and mechanical properties of cordierite-based glass -ceramic composites, Journal of Materials Processing Technology, 2007,190(1-3):77-80 (SCI&EI)16. Chen Guo-hua. Effect of replacement of MgO by CaO on sintering, crystallization and properties of MgO-Al2O3-SiO2 system glass-ceramics, Journal of Materials Science, 2007, 42(17):7239-7244 (SCI&EI)17. Guo-hua Chen, Xin-yu Liu. Low-temperature sintering and characterization of class-ceramic composites, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2006, 17(9): 877-882 (SCI&EI)18. Chen Guo-hua. Effect of ZnO addition on properties of cordierite-based glass-ceramics, Journal of Materials Science：Materials in Electronics, 2007, 18(12):1253-1257 (SCI&EI)19. Guo-hua Chen, Bing Qi. Barium niobate formation from mechanically activated BaCO3-Nb2O5 mixtures, Journal of Alloys and Compounds, 2006, 425(1-2): 395-398(SCI&EI)20. Chen Guo-hua, Liu Xin-yu. Effects of rare earth addition on sintering process and dielectric property of cordierite based glass-ceramics, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2004, 14(6):1145-1150 (SCI&EI)21. Ying Luo, Xinyu Liu, Guohua Chen. Electrical properties of BaTiO3-based NTC thermistors doped by BaBiO3 and CeO2, Journal of Alloys and Compounds, 2007, 429(1-2): 335-337 (SCI&EI)22. Ying Luo, Xinyu Liu, Xvqiong Li, Guohua Chen. BaBiO3-doped SrTiO3-based NTC thermistors, Journal of Alloys and Compounds, 2007,433(1-2): 221-224 (SCI&EI)23. Ying Luo, Xinyu Liu, Guohua Chen. Effect of Y2O3 addition on the electrical properties of BaTiO3 based NTC thermistors, Materials Letters, 2006, 60(8):1011-1013(SCI&EI)24. 周希，陈国华，朱归胜，杨云，魏亚楠，周昌荣. 白光LED用Sr2SiO4:Eu2+发光材料的燃烧法制备及其光谱特性, 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(12):3692-3697 (EI)25. 陈国华，刘心宇，陈丽洁. 均匀沉淀法制备铝酸锶发光材料及其性能, 中国有色金属学报, 2009, 19(6): 1113?1118 (EI)26. 陈国华. 硅酸盐长余辉发光材料的最新研究进展, 功能材料，2006,37(S):19-24(EI)27. 陈国华. 稀土离子激活长余辉发光材料的最新研究进展, 光学技术, 2006,32(S):42-49(EI)28. 职利，陈国华, 刘俊涛，刘心宇，周昌荣，江民红. 添加 BaO-B2O3-SiO2 玻璃对 陶瓷烧结和介电性能的影响, 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(4):947-953 (EI)29. 张文俊, 周昌荣, 江民红, 王华, 刘心宇, 陈国华. Na2O对BaO-SrO-Nb2O5-B2O3-SiO2系玻璃陶瓷微结构和性能的影响,中国有色金属学报，2011,21(6): 1457-1462 (EI)30. 陈国华，徐华蕊，江民红, 颜东亮, 周昌荣，成钧, 刘心宇. CaO 和SiO2含量比值对钙长石基玻璃陶瓷性能的影响, 材料热处理学报, 2010,31(5):30-35（EI）31. 陈国华, 唐林江, 职 利, 成钧, 刘心宇. 玻璃组成对CaO-Al2O3-SiO2系玻璃烧结、晶化和性能的影响, 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(5):1270-1275（EI）32. 陈国华, 刘心宇. AlN/堇青石玻璃复合材料的介电性能, 材料科学与工艺，2009,17(2):221-224（EI）33. 戚冰, 陈国华. SBTN陶瓷的制备和介电性能研究，功能材料, 2006，37（S）：326-328 （EI）34. 陈国华，戚冰. 掺杂Ca2+和Mg2+对SBN陶瓷介电性能的影响，中南大学学报（自然科学版），2009，40(1): 206-210 （EI）35. 陈国华, 刘心宇. 添加稀土氧化铈对堇青石基玻璃陶瓷的烧结和性能的影响，硅酸盐学报，2004，32（5）：625-630 （EI）
杂志有：
1、《Nature Reviews Materials》《自然评论材料》
2、《Nature Energy》《自然能量》
3、《NATURE MATERIALS》《自然材料》
4、《Nature Nanotechnology》《自然纳米技术》
5、《ADVANCED MATERIALS》《先进材料》
6、《Advanced Energy Materials》《先进能源材料》
7、《Materials Today》《今日材料》
8、《PROGRESS IN MATERIALS SCIENCE》《材料科学进展》
9、《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS》《材料科学与工程研究报告》
10、《INTERNATIONAL MATERIALS REVIEWS》《国际材料评论》
AFM：ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS；原子力显微镜
AM：Advanced Materials；先进材料
扩展资料
AFM优点：
原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描，从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。
与常规显微镜比较，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。具体如下：
1、高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。
2、非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。
3、应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。
4、软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。
参考资料：百度百科-AFM（原子力显微镜）
《材料研究学报》在最新2012北大中文核心期刊目录中可以查到。是中文核心期刊。
Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology
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· 二氧化碳的是非功过 二氧化碳是植物光合作用的必备原料，其含量增多，对植物的生长有好处。二氧化碳在大棚蔬菜栽培中可作为化肥来施放，使作物增产。 二氧化碳在潜水、航空中可作为氧气的来源。 液态二氧化碳有广阔的应用前景，把液态二氧化碳作为从某些植物或植物源中提取天然存在的化合物的媒质，不仅不会破坏原料所含的生物活性物质，而且产品中不含残留的媒质，用喷洒液态二氧化碳的方法为飞机场除雾，除雾效率比固态二氧化碳高几百倍。用二氧化碳代替传统的有机溶剂进行喷漆，能有效地减少喷漆过程中释放到大气中的有害物质的数量。 在高科技中，二氧化碳也有它的用武之地，用二氧化碳代替氦氖进行激光治疗，可以减少病人的痛苦，并且节省费用，用二氧化碳萃取蛋黄卵磷脂，经济效益可观。二氧化碳可用来洗衣服，并且不污染环境，而且来源广泛。 二氧化碳增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度，温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的河流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。 大气温度的升高，造成海洋中吸收二氧化碳的某些藻类植物 大肆繁殖，致使吸收二氧化碳的浮游藻类死亡，间接地影响渔业的繁殖，并使大气中的二氧化碳的增多走向恶性循环。 综上所述：二氧化碳的增多是好是坏，关键看人类如何利用。只要我们因势利导，化害为益、一定会使二氧化碳成为人类的有用功臣。
徐坤，刘笛，赵佳飞，宋永臣，刘瑜，刘卫国，薛铠华，叶陈诚，朱一铭
徐坤（1987－），男，硕士研究生，主要从事天然气水合物置换开采研究，E-mail:
大连理工大学教育部海洋能源利用与节能重点试验室，辽宁大连116024
摘要：天然气水合物被认为是21世纪最具有商业开采价值的新能源，全球深度在2 000 m以内的岩石圈浅部所含的天然气水合物量，相当于现已探明的常规矿物燃料总和的2倍。作为一种集温室气体CO2长期储存和天然气开采于一体的方法，CO2置换法引起了许多研究人员的极大兴趣。本文全面总结了国内外CO2置换开采天然气水合物中CH4的实验研究进展；论述了CO2置换开采天然气水合物的优缺点，强调了CO2乳化液置换的优越性；介绍、分析了气态CO2、液态CO2以及CO2乳化液置换实验的最新进展，并且对3种置换方法进行了对比；介绍了CO2乳化液制备实验的最新进展，并论述分析了CO2气体、液体以及乳化液在置换开采天然气水合物中的关键技术问题。
关键词：天然气水合物；二氧化碳；置换开采；乳化液
Advance in Experimental Research on Replacement of Natural Gas Hydrate with CO2
Xu Kun,Liu Di,Zhao Jiafei,Ssng Yongchen,Liu Yu,Liu Weiguo,Xue Kaihua,Ye Chencheng,Zhu Yiming
Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China
Abstract:Natural gas hydrate(NGH)is regarded as a kind ofnew energy with great commercial exploitation value in the 21th century,the amount of NGH in the lithosphere within 2000m around the world is about twice the total amount of the ascertained fossil a method which combines CO2long-term storageand NGH exploitation,the replacement method with CO2has caused the attention of many researchers around the paper summarizes the experimental research advance on replacement of CH4from the hydrate by use of CO2,discusses the advantages and disadvantages of the method on the natural gas productionfrom hydrate and emphasizes the superiority of latest progresses of CH4replacement experiments with gaseous CO2,liquid CO2and CO2emulsion are introduced and analyzed,and the latest experiment progresses on preparation of CO2emulsion are key technical problems of the replacement methods with differentforms of CO2are demonstrated.
Key words:natural gas hydrate;carbon dioxide;replacement exploitation;emulsion
0 引言
天然气水合物，又称为“可燃冰”，广泛存在于永久冻土地带和深海底层，被认为是21世纪最具有商业开采价值的新能源，具有巨大的资源储量[1]。目前，天然气水合物开采的主要方法有热激发法、减压法和化学试剂法[2]。这些方法都是通过破坏水合物在原位条件下的相平衡，达到分解开采的目的。然而，在考虑各种开采方法的技术和经济特征的同时，还应该认识到，天然气水合物作为赋存区地层的构成部分，在稳定该区域地层方面起着相当重要的作用；而上述方法在开采天然气水合物过程中，将其分解成气体和水，可能会造成地质失稳，从而引起地质灾害[3]。与此同时，由于人类社会生产的快速发展，温室气体的大量排放已经成为人类必须面临的重大环境问题，CO2封存被认为是减少CO2排向大气，减轻全球温室效应的有效手段。
基于以上两点，研究人员提出了使用CO2置换天然气水合物中的CH4的设想[4]。作为一种集温室气体CO2长期储存和天然气开采于一体的方法，该方法不仅可以避免常规开采方法的一些诸如降压法热量来源无法解决、加热分解法热量利用率低、加入抑制剂法成本高且易对地层产生伤害等缺点；还提供了一种长期储存温室气体CO2和在开采天然气过程中稳定海底地层的方法[5]，为减少地球表面的温室气体排放提供了一条有效途径。
虽然CO2置换法被认为是一种前景广阔的天然气水合物开采方法，但是该方法存在着置换速率缓慢的缺陷。根据Masa Ki Ota[6]使用气态CO2，在压力为 MPa，温度从 K变化至 K的条件下进行置换实验得到的数据可以得知，置换速率在反应进行大约10 h之后变得相当缓慢，若不能提高置换反应的速率，该技术将不具备实际的应用价值。
1 置换反应可行性研究
图1是Sloan[7]绘制的关于CH4、CO2及其水合物的典型相平衡曲线图，温度选择在天然气水合物在天然沉积物中的形成条件——273 K附近。图1中的A、B区域在冰（水）－水合物－气态CO2（液态CO2）相平衡线之上，冰（水）－水合物－气态CH4相平衡线之下，表明这个区域可以同时存在着气态CH4和CO2水合物，这个区域的存在证明了使用CO2气体置换天然气水合物的可能性。
图1 CH4-CO2-H2O相平衡图（据文献[7]）
CH4-CO2-H2O体系相平衡实验及理论计算表明，在温度低于283 K时，相同温度下CH4水合物的生成压力大于CO2水合物的生成压力。所以在理论上，将CO2注入地下水合物储层后，CH4水合物会转化为更稳定的CO2水合物，同时释放出CH4气体[8]。在此过程中，CO2水合物的生成和天然气水合物的分解同时进行，Masa Ki Ota[6]的实验数据表明，实验过程中CO2水合物形成放出的热量（ k J/mol）远大于CH4水合物分解所吸收的热量（ k J/mol），这样不仅在反应过程中自行提供了CH4水合物分解过程所需要的热量，解决了热源问题，还避免了水合物分解过程中的自保护作用，对于天然气水合物分解起到了促进作用[9]。根据化学热力学基本理论，自发化学反应总是向着Gibbs自由能减小的方向进行。如Masa Ki Ota[10]所述，在温度范围为～ K、压力为 MPa的条件下，CO2置换CH4反应的Gibbs自由能为负值，置换反应将会自发进行。对于置换过程的推动力，Masa Ki Ota[10]则认为是该过程中气相和水合物相的逸度差。
从微观上看，CO2和CH4水合物都属于Ⅰ型结构水合物[11],CH4水合物有6个中穴和2个小穴， CO2分子的体积比CH4大，其大小介于CH4水合物的中穴和小穴之间[12]，因此置换CH4水合物理论上的最高置换效率只能达到75%[13]。Uchida[8]等结合实验现象认为，CO2与CH4水合物的置换反应分2个主要步骤：1)CH4水合物分解，释放出的CH4气体离开固相进入CO2相中；2）重新形成气体水合物，CH4分子由于记忆效应很快占领各晶胞小穴，CO2分子进入部分晶胞中穴。置换过程中2种客体分子的置换过程可用图2表示。
图2 置换过程中两种晶穴的变化图（据文献[14])
2 实验研究
气态CO2置换开采天然气水合物
图3为Masa Ki Ota等[6]使用高压气态CO2置换CH4的实验装置示意图。Ota进行了3组实验，实验时反应釜内压力为 MPa，恒温系统的温度分别设定为 K、 K和 K，具体实验步骤如下：1）将一定量的去离子水加入到反应釜中，然后通入CH4气体，在一定的温度压力条件下，通过搅拌器的高速搅拌作用，生成CH4水合物；2）当反应釜内的压力不再变化时，可以认为CH4水合物已经饱和，静置一段时间之后，通入高压CO2气体将反应釜中剩余的CH4气体驱除干净，应用拉曼光谱来测试排出的气体，确认CH4被清除干净，之后继续通入CO2气体将反应釜内加压到预定值；3）将恒温系统设定为实验要求的温度，再将反应釜置于恒温系统中，反应开始后，在反应过程中每隔一段时间取出少量气体样本，应用拉曼光谱仪进行分析，计算出不同时刻反应釜内两种气体的摩尔量，从而计算出CH4气体的置换量和置换速率。
图3 CO2置换CH4装置示意图（据文献[6])
气罐； 2.冷却装置；气囊；气囊；5.带恒温系统的反应釜；6.可视窗；7.搅拌器； 8.减压阀；气罐；10.热电偶；11.压力表；12.背压阀；13.拉曼光谱仪；14.集气瓶
图4是Masa Ki Ota实验得到的CH4水合物分解量和CO2水合物生成量随时间的变化曲线图，分析3组实验数据，可以得出以下结论：1）在压力恒定的情况下，适当提高反应温度，有利于置换反应的进行；2)CH4水合物的分解量和CO2水合物生成量基本一致，从而证明了置换反应是一个CO2分子占据CH4分子所在晶穴的过程；3）在反应初始阶段置换速率较大，但是在反应进行了大约10 h之后，置换速率出现明显的下降。
图4 CH4水合物分解量和CO2水合物生成量变化曲线图（据文献[6]）
李遵照[4]等通过实验证明，气态CO2置换天然气水合物时，温度和压力对于置换速率影响较大，较高的温度和压力能够对反应起到促进作用。此外，当实验的温度达到冰点以上，CH4水合物的分解速率明显提升。
液态CO2置换开采天然气水合物
MasaKi Ota等[14]使用饱和液态CO2也进行了CO2置换天然气水合物中CH4的实验，实验装置同图4相比，多了一个CO/液化装置。该实验的具体步骤如下：1）将一定量的去离子水加入到反应釜中，再通入CH4气体，在一定的温度压力条件下，通过搅拌器的高速搅拌作用，生成CH4水合物；2）当反应釜内的压力不再变化时，可以认为CH4水合物已经饱和，静置一段时间之后，利用高压CO2气体将反应釜中剩余的CH4气体驱除干净，通过拉曼光谱仪测试排出的气体来确认反应釜内没有CH4，之后继续通入CO2气体将反应釜加压到预定值，然后往反应釜内加入饱和液态CO2; 3）当反应釜内充满液态CO2时，将反应釜放入温度设定为实验要求值的恒温系统中，置换反应开始进行。在反应开始之后每隔一段时间用拉曼光谱仪检测水合物中CO2水合物和CH4水合物的组成以及水合物中小穴和中穴中的分子类型。
图5是该置换反应过程中CH4水合物和CO2水合物占全部水合物百分率的变化曲线图。从图中可以看出，CH4水合物的减少量与CO2水合物的增加量基本一致，证实了液态CO2置换CH4的可行性，同时说明了置换过程是一个CO2分子占据晶穴中CH4分子的过程。图6是反应过程中CH4分子在水合物、中穴以及小穴中所占比例的变换曲线图。从图中可以看出，中穴中的CH4分子减少速度比小穴中的CH4分子快得多，而且CH4分子在总的水合物中所占的比例与其在中穴中所占的比例变化大致相等，从而证明了置换反应只发生在CH4水合物的中穴中。
图5 CH4、CO2水合物百分比变化曲线图（据文献[14]）
图6 CH4分子在水合物、小穴和中穴中的比例变化曲线图（据文献[14]）
CO2乳化液置换开采天然气水合物
对于CO2置换CH4反应速率在反应一段时间之后置换速率下降的原因，Ji-Ho Yoon等[15]认为：在开始阶段，CO2分子与CH4水合物有较大的接触面积，置换速率较大。随着反应的进行，在CH4水合物上面形成的CO2水合物层起了屏蔽作用，阻碍了CH4水合物的继续分解，导致了置换速率的下降直至停止。
为提高置换反应速率，Mc Grail等[16]提出了一种强化气体水合物回收法（enhanced gas hydrate recovery，简称EGHR）。该方法的要点是，首先通过一定的方法制成以液态CO2为分散相、水为连续相的乳化液，然后在一定的压力下，将乳化液注入事先在沙层中形成的CH4水合物层，使之与水合物接触，置换出水合物中的CH4。Mc Grail等认为这样做，可以充分利用H2O-CO2混合物体系的物理和热力学性质，结合多孔介质中受控多相流、热量和质量传递过程的优点，使置换反应得到强化。
虽然CO2乳化液置换被认为是一种较好的置换方式，但是CO2乳化液的制备技术还不是很成熟。Varun Ka等[17]在制备CO2乳化液时应用了一种新型乳化剂TMN-6（异构醇乙氧基化物表面活性剂），制得了以CO2为分散相、水为连续相的乳化液（C/W 型乳化液），其中CO2占90％，在温度低于318 K的条件下，随着压力的升高，乳化液的稳定性也随之增强。
图7 CO2乳化液制备装置示意图（据文献[18])
气罐；2.柱塞泵；乳化装置；4.储液瓶；5.带搅拌器的可视反应釜；6.压力表；7.电脑；8.数据采集系统
图7是Xitang Zhou等[18]制备CO2乳化液装置的示意图，制备的步骤主要包括：①将一定量的去离子水、TMN-6乳化剂以及CO2气体通入反应釜中；②通过乳化装置将CO2气体乳化后储存在储液瓶中通过柱塞泵对液体进行加压，当压力达到要求值（30 MPa）后，将液态CO2加入到反应釜中；③将反应釜放入恒温系统中，设定好温度之后，启动搅拌器，生成CO2乳化液。
Xitang Zhou等[18]进行了CO2乳化液置换CH4的实验，该实验的装置和步骤与液态CO2置换CHq相同，只需要将实验过程中通入反应釜的液态CO2换成CO2乳化液即可。在做该实验之前， Zhou等先进行了液态CO2置换CH4的实验，以便与CO2乳化液置换进行对比；并将在 MPa的压力和的温度条件下，使用液态CO2进行置换实验得到的实验数据与2005年Masa Ki Ota等[14]在相同条件下的实验得到的数据进行对比，得到图8。从图中可以看出2次实验的置换效率基本一致，从而可以确保之后Zhou等使用CO2乳化液进行置换实验得到的数据同Masa Ki Ota的实验同样具有可比性。
图8 液态CO2置换效率对比图（据文献[18])
Zhou等进行了3组CO2乳化液置换实验，每次实验的温度压力等条件一致，只改变乳化液的C/W比例，3次实验的C/W质量比分别为9/1、7/3、5/5。图9是这3组实验与液态CO2置换反应的置换效率对比图。从图中可以看出，CO2乳化液的置换效率比液态CO2要高，并且在3种比例的CO2乳化液中，C/W质量比为9/1的乳化液置换效率最高，在同样的反应条件下大概达到了液态CO2的倍，置换速率更是达到了后者的5～7倍。
图9 CO2乳化液和液态CO2置换CH4效率对比图（据文献[18]）
此外，为了证实CO2乳化液的优越性，Xitang Zhou等[19]还比较了气态CO2和CO2乳化液的置换效率。在3种不同的实验条件下，Zhou等在相同的实验条件下分别使用CO2乳化液和气态CO2进行了置换实验，得到了置换出来的CH4气体摩尔量的变化曲线图，如图10所示。图10左边的曲线图表示的是气态CO2置换实验数据，右边的曲线表示的是CO2乳化液置换实验数据。从图10中可以看出：1）使用CO2乳化液进行置换所得到的CH4气体摩尔量明显高于使用CO2气体时的情况；2)CO2气体置换反应在10 h之后置换速率大幅下降，并且反应在进行50 h之后，置换反应基本上就停止了，而使用CO2乳化液进行置换，反应进行50 h之后速率都不会出现大幅下降的现象，并且反应时间可以持续超过100 h。这是由于在气态CO2置换反应中，CO2分子只能与CH4水合物的表面接触发生反应，随着反应的进行，生成的CO：水合物会起到屏蔽作用，阻碍了反应的继续进行；而CO2乳化液具有更好的传导率和扩散性，增加了反应面积，在置换反应中起到了强化作用，提高了置换的反应速率，同时乳化液的热可以使热源增强，从而使置换反应得到进一步强化，从而延长了反应的有效时间。实际开采中，在压力差的作用下，大部分的乳化液会扩散到所有方向，使用乳化液将有利于H2O-CO2系统在物理上和热力学上的混合，同时也有利于在多孔介质中控制多相热流和大块水合物的转变，从而证明了Mc Grail强化置换的设想是可行的。
张伟等[20]指出，CO2乳化液置换天然气水合物的置换的动力学有待进一步研究，乳化剂的含量和种类、CO2与水的比例以及CO2分散相的粒度等对置换速率的影响都是今后此方法研究的热点。在实际开采中，还将考虑多孔渗水介质的存在、储层CH4的富集情况、CO2乳化液的泵送等问题。
图10 气态CO2与CO2乳化液置换CH4摩尔量变化曲线图（据文献[19]）
3 结论
通过对国内外CO2置换天然气水合物中CH4实验的分析总结，可以得出以下结论：
1）使用CO2置换天然气水合物中CH4是可行的，置换反应实质上是CO2分子取代CH4分子占据CH4水合物中穴的过程，但是置换反应也存在着置换速率慢、置换效率低的问题。
2)CO2乳化液同气态CO2和液态CO2相比，具有更好的置换效果，CO2乳化液不但置换CH4气体的速度快，而且持续时间长，为天然气水合物的商业开采提供了一条新的思路。
3)CO2气体置换开采天然气水合物的成本较低，但是其置换效率低、置换速度慢的问题必须得到解决，如果将其应用于实际开采中，就必须解决实际开采天然气水合物过程中如何提高水合物层的温度和压力，以促进反应的进行这一关键技术问题。
4)CO2液化技术与CO2乳化液技术相结合，应用于天然气水合物置换开采，与气态CO2相比具有很大的优势，但是目前CO2乳化液的制备技术还不是很成熟，要想将CO2乳化液应用于实际开采中，关键在于对乳化剂种类、CO2和水的比例、乳化液制备过程中压力温度等条件的选择，得到稳定存在并且能够应用于实际置换开采的低成本乳化液。
参考文献
[1]罗莎莎，刘宏菊，孙也.CO2开采海底天然气水合物的研究进展[J].中国资源综合利用，2008,26(3）:19-23.
[2]李遵照，郭绪强，王金宝，等.CO2置换法开发不同体系CH4水合物的实验[J]天然气工业，2008,28(5）:129-132.
[3]周锡堂，樊栓狮，梁德青.CO2置换开采天然气水合物研究进展[J]化工进展，2006,25(5）:524-527.
[4]李遵照，郭绪强，陈光进，等.CO2置换CH4水合物中CH4的实验和动力学[J]化工学报，2007,58(5）:1197-1203.
[5]王金宝，郭绪强，陈光进，等.二氧化碳置换法开发天然气水合物的实验研究[J]高校化学工程学报，2007,21(4）:715-719.
[6]Ota M,Abe Y,Watanabe M,et Recovery from Methane Hydrate Using Pressurized CO2[J].Fluid Phase Equilib,2005,228(SI):553-559.
[7]Sloan E Hydrate of Natural Gases[M],2nd York:Marcel Dekker,1998.
[8]Uc hid a T,Ikeda I Y,Ta Keya S,et and Stability of CH4-CO2Mixed Gas Hydrates During Formation and Long-Term Storage[J].Chem Phys,2005,6(4):646-654.
[9]周薇，樊栓狮，梁德青，等.二氧化碳压力对甲烷水合物置换速率的影响[J]武汉理工大学学报，2008,32(3）:547-550.
[10]Ota M,Saito T,Aida T,et and Microscopic CH4-CO2Replacement in CH4Hydrate Under Pressurized CO2[J].AICh E J,2007,53(10):2715-2721.
[11]杨光，祁影霞，张华，等.CO2置换CH4水合物实验研究进展[J].低温与超导，2010,38(5）:70-75.
[12]张伟，王赵，李文强，等.CO2乳化液强化置换水合物中CH4的作用研究进展[J]，天然气化工，2009,34(1）:59-63.
[13]樊燕，刘道平，谢应明，等.用CO2置换水合物沉积层中CH4可行性分析[J].天然气地球科学，2007,18(2）:317-320.
[14]Ota M,Morohashi K,Abe Y,et of CH4 in the Hydrate by Use of Liquid CO2[J].Energy Convers Manage,2005,46(11/12):1680-1691.
[15]Yoon J H,Kawamura T,Yamamoto Y,et of Methane Hydrate to Carbon Dioxide Hydrate:in Situ Raman Spectroscopic Observations[J].J Phys Chem A,2004,108(23):5057-5059.
[16]McGrail B P,Zhu T,Hunter R B,et New Method for Enhanced Production of Gas Hydrate with CO2[J].AAPG Hedberg Conference,2004(Sup.):12-16.
[17]Dhanu Ka V V,Dic Kson J L,Ryoo W,et Internal Phase CO2-in-Water Emulsions Stabilized with a Branched Nonionic Hydrocarbon Surfactant[J].J Colloid Interface Sci,2006,298(1）:406-418.
[18]Zhou X T,Fan S S,Liang D Q,et of Methane from Quartz Sand-Bearing Hydrate with Carbon Dioxide-in-Water Emulsion[J].Energy Fuels,2008,22(3) 1759-1764.
[19]Zhou X T,Fan S S,Liang D Q,et of Appropriate Condition on Replacing Methane from Hydrate with Carbon Dioxide[J].Energy Convers Manage,2008,49(8) 2124-2129.
[20]Zhang W,Wang Z,Li W Q,et Progress in the Enhanced Replacing Methane out of Gas Hydrate by Carbon Dioxide Emulsion[J].Nature Gas Chemical Industry,2009,34 (1）:59-63.
背景介绍
在过去的十年中，电催化CO2还原反应 (CO2RR) 与H2O生成C2+化合物已成为热门研究领域。原因主要有三个：一是太阳能、风能等可再生能源发电，可再生电力成本不断降低。可再生电力和电催化CO2RR的结合将有助于建立碳中和过程。其次，对高能分子的电催化CO2RR能够以化学能的形式储存电能。第三，最近的研究表明，电催化CO2RR可以实现C2+烯烃和含氧化合物的高选择性。同样令人感兴趣的是，电催化的C-C偶联可能通过与热催化氢化不同的机制进行，这为控制C-C偶联和产物选择性提供了新的机会。
除了电催化CO2RR外，电催化CO还原反应 (CORR) 生成C2+化合物近年来也备受关注。这不仅是因为CO是一种丰富且廉价的碳原料，可以从各种资源中生产，例如天然气/页岩气、煤炭和生物质，而且还因为可以构建通过CO将CO2 转化为C2+化合物的间接途径。间接途径包括两个步骤，即技术上成熟的电催化 CO2RR到CO，然后是电催化CORR到C2+化合物。如果可以开发出具有高选择性、活性和稳定性的电催化CORR的高效催化剂，则间接途径将是有希望的。
已经发表了多篇关于直接电催化CO2RR的优秀评论文章。然而，到目前为止，关于电催化CORR的评论文章很少。由于CO通常被认为是电催化CO2RR到 C2+化合物的关键反应中间体，因此电催化CO2RR和CORR之间肯定存在相似之处。然而，CO2RR和CORR之间的差异也是已知的。例如，在电催化CO2RR 中，C2H4的选择性通常高于Cu催化剂中的C2+含氧物（主要是C2H5OH），而在许多文献中，C2+含氧物是电催化CORR中的主要C2+产物。
本文回顾重点介绍了在铜基催化剂上电催化CO2RR和CORR转化为C2+化合物（包括 C2H4、C2H5OH、CH3COO 和 n-C3H7OH）的异同。首先，我们将介绍CO2 和CO电催化还原的基本知识，包括阴极和阳极反应、电催化反应器和关键性能参数。接下来，将讨论反应机制，特别是C-C耦联机制。此外，将强调为这两条路线开发高效催化剂和系统的进展。我们将分析决定电催化CO2RR和CORR的选择性、活性和稳定性的关键因素（主要包括催化剂、反应器配置和反应条件）。最后，我们将重点介绍这个蓬勃发展的研究领域的机遇、挑战和可能的未来发展趋势。
图文解读
图1 CO2RR直接途径和间接途径
表1 电催化平衡电势
图2 三种反应器
图3 关键性能参数
图4 C-C耦联机制
图5 C-C耦联后生成C2H4和C2H5OH的机制
图6 双金属铜基催化剂原理
原文链接： Electrocatalytic reduction of CO2 and CO to multi-carbon compounds over Cu-based catalysts
燃料电池的演化及发展探析摘要：对燃料电池的工作原理进行了详细的分析；对其演化过程进行了简述；对其最新技术进行了详细的研究；对国内燃料电池技术的发展提供了参考意见。关键词：燃料电池；碱性燃料电池；磷酸型燃料电池；熔融碳酸型燃料电池；固体氧化物燃料电池；直接醇类燃料电池；固体高分子膜燃料电池随着工业化过程的进一步加强，大气中二氧化碳的排放量和污染程度加剧，导致了温室效应越来越明显，因此环保问题引起了各国政府的重视。为此，绿色能源技术引起了各国的普遍关注，并且正在逐步成为一种趋势。经过了各方的互相协作和努力，燃料电池技术正日趋成熟。作为一项重要技术，从本质上讲，它是一种电化学的发电装置，等温地按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，因此正在成为理想的替代能源。1 燃料电池的演化过程1．1 燃料电池的演化过程燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，一铂黑为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，奥斯卡尔德等人在探索燃料电池发电过程的实验都因为反映速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展。直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特一惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。1．2 燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种能量转化装置，它就是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。因此，燃料电池的基本结构与电解水装置是相类似的，它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等类型。燃料电池的工作原理如下(以磷酸型或质子交换膜型为例)：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子；(3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；(4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水；与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。1．3 燃料电池的特点由上所述可知，燃料电池在本质上是电化学转化装置，它能够通过电化学过程直接将化学能转化为电能和热能，因而具有如下优点：1)干净清洁。利于环保，可减少二氧化碳的排放；无噪音，并自给供水；2)高效。由于其转化过程没有经过热机过程，因此效率高。3)适用性。由于污染小，无噪音，可靠，可使用于终端用户，因而可减少各种损失，并节省设备投资。4)可调制性。由于它是组合的结构，因而可以调节，以满足需求。5)燃料多样性。由于燃料可以是氢气、天然气、煤气、沼气的功能碳氢化合物燃料。基于以上特点。燃料电池成为绿色能源技术发展的重点。成为本世纪最有发展前途的技术之一。2 国内外燃料电池的最新进展2．1 碱性燃料电池（AFC）AFC技术是第一代燃料电池技术，已经在20世纪60年代就成功地应用于航天飞行领域。它是最早开发的燃料电池技术。目前德国一家公司开发的AFC在潜艇动力实验上获得了成功。国内对AFC的研究工作是从20世纪60年代开始的，主要是集中在中科院的下属研究机构。武汉大学和中科院长春应化所在上世纪60年代中期即开始对AFC进行基础研究。上世纪70年代，由于航天工业的需求，天津电源研究所研制出lkW AFX2系统。与此同时，A型号(即以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂)、B型号(即以N2H4分解气、空气氧为燃料和氧化剂)燃料电池系统也在中科院大连化物所研制成功。此外，其它的研究机构也都展开了对AFC的研究。2．2 磷酸型燃料电池（PAFC）PAFC也是第一代燃料电池技术，也是目前最为成熟的应用技术。已经进入了商业化应用和批量生产。目前美国、日本、欧洲各国已有100多台200KW 发电机组投入使用或在安装中，最长的已经运行了37000小时。因此已经证实了PAFC是高度可靠的电源。只是由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。国内对PAFC的研究工作相对较少。尽管如此，在对PAFC的研究过程中仍进行了卓有成效的工作，取得了不俗成绩。如国内学者魏子栋等人在对氧化还原发应的电催化剂研究过程中发现了Fe、Co对Pt的锚定效应。2．3 熔融碳酸型燃料电池(MCF℃)MCFC是属于第二代燃料电池技术。目前对MCF℃ 的研究国家有美国、日本和西欧，主要是应用于设备发电，目前还处于试验阶段。美国对MCFC的研究单位有国际燃料电池公司和能源研究公司及M—C动力公司。而日本对MCFC的主要是NEIX)公司、电力公司、煤气公司和机电设备厂商组成的MCFC研究开发组。大坂工业技术研究所从1991年开始10kW的MCFC单电池的长期运行试验，到1995年l1月止，累计运行了4万小时，确证了MCFC实用化的可能。德国MTU宣布在MCFC技术方面取得了突破。由该公司开发出来的世界上最大的280kW 的单电池还在运行。国内对MCFC的研究是中科院大连化物所从1993年开始的。现在正处于组合电池的研究阶段。而经过多年的艰苦努力与创新突破，上海交通大学科研人员率先在国内成功进行了1～1．5l 的熔融碳酸型燃料电池(M ℃)发电实验，取得了在国外一些国家至少需要6年甚至10年左右时间才能获得的成果。参加项目评审的专家认为，它整体水平达到了当前国内领先水平、国际20世纪90年代初同类技术的先进水平。2．4 质子交换膜型燃料电池系统(PEMF℃)PEMFC是属于第三代燃料电池技术。20世纪60年代，美国就已将PEMFC应用于宇航飞行，但由于技术问题，使得在其发展过程中受到了影响。直到20世纪80年代，加拿大Ballad公司才展开对PEMFC的研究工作。并取得了突破性进展。目前开发出来的电池组合功率达到了1000W／L、700W／kg的指标，因此这一技术引起了各国的广泛关注。目前Ballad公司在这一技术领域处于领先地位。国内对PEMFC的研究是从20世纪70年代天津电源研究所展开一聚苯乙烯蟥酸膜为电解质的PEM—FC基础研究。但进展缓慢。而国外在这一领域发展较快。因此在90年代开展了PEMFC的跟踪研究。目前，在PEM 方面，国内技术在多个方面取得了突破，北京富原新技术开发总公司已出现了50W、75W、150W、5KW 等样机。而上海神力科技有限公司已研制出5KW，10KW 的大功率型质子交换墨燃料电池系统，这大大缩小了与世界先进水平的距离。
在中国的燃料电池研究始于1958年原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。在中国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：1：PEMFC的研究状况中国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。 中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究，在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达。
燃料电池是很有发展前途的新的动力电源,般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料,作为负极,用空气中的氧作为正极和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在入的,因而电池容量取决于贮存的活性物质的量;而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的,因此,这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点,但由于成本高,系统比较复杂,仅限于一些特殊用途,如飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。
科学家研发展动力燃料电池：替代铂进行催化韩国高丽大学的一个科学家组概述了一个用人尿内的碳原子制造廉价电力的计划。这些研究人员称，他们会用天然存在于人尿中的碳取代燃料电池内昂贵的铂。燃料电池是一项通过氢氧反应把化学能变成电能的很有发展前途的技术。 根据这项技术，把氢气送到燃料电池一侧、带有负电荷的阳极上，同时氧被送到燃料电池另一侧、带有正电荷的阴极上。在阳极上，一种通常是铂的催化剂把氢原子的电子分离出来，留下带正电荷的氢离子和自由电子。阳极和阴极之间的一张膜只允许氢离子通过。这意味着电子只有沿着外电路移动，继而产生电流。 科学家希望燃料电池将来有机会得到广泛应用，为汽车和住宅提供电力。问题是燃料电池内的催化剂过于昂贵，而且它的高成本现已抑制这项技术的商业发展。但通过用具有相似特性的碳代替铂，韩国研究人员认为他们可能大幅降低燃料电池的成本。 生物质燃料低温电池 2014年2月9日，美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能，能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。这种技术，在室温下就能对生物质进行处理，对原材料的要求极低，几乎适用于所有生物质，如淀粉、纤维素、木质素，甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料，水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用，也可以在生物质原料丰富的城市大规模使用。实验显示，这种燃料电池的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。研究人员报告称，这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米毫瓦，比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓玉林认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间，未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。 直接甲酸燃料电池科研人员通过向普通的碳黑中掺杂磷化镍(Ni2P)获得了一种简单廉价的复合载体，然后将钯负载在该复合载体上得到直接甲酸燃料电池用阳极电催化剂。据介绍，该类催化剂在酸性环境中的活性、寿命、抗中毒能力及长效工作稳定性方面均优于商业催化剂和其他已经报道的催化剂。其中，利用该体系中的Pd-Ni2P/C作为DFAFC催化剂时其功率密度高达550mW/cm2，较商业性能提高倍，是目前所见文献报道的DFAFC的最高性能，相关研究成果发表于日前的《德国应用化学》上。
1、资源长期过度开发。2、生态环境破坏严重。3、产业结构不尽合理。4、价格严重背离价值。5、出口走私相当严重。6、发展欠缺消费不足。
国家计委和科技部日前共同发布了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2001年度)》，确定了当前应优先发展的十个产业的141个高技术产业化重点领域新型金属材料产业优先发展的领域如下：1、稀土材料及其应用稀土是信息产业、绿色能源和环境保护等产业的重要支撑材料我国稀土储量、产量和出口量均占世界首位 已形成较齐全的工业体系近期产业化的重点是：高性能稀土永磁材料及制品、稀土催化材料、稀土贮氢材料、稀土发光材料、超大磁致伸缩材料、高温超导材料、稀土硫化物涂料及颜料的规模生产；加快发展高纯稀土氧化物和高纯稀土单质分离提取工业化生产技术和装备；加快稀土在钢铁冶金、有色金属、玻璃、特种陶瓷、石油化工及农业等方面的应用2、复合金属材料制备工艺及其成套设备由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传统金属材料的发展潜力近期产业化的重点是：建设铝-不锈钢、铝-钢、钛-钢、铜-钢带液-固相复合工艺生产线 表面复合精饰技术制备薄覆层()金属复合板带生产线；开发颗粒增强铝基复合材料规模化生产技术、半固态成形技术、连续包敷复合高速钢材料及制品，并实现产业化3、高性能密封材料及制品密封件是保证机械装备高效、长期、安全和稳定运行的重要基础件 其技术水平、质量及性能直接影响配套主机产品质量和运行可靠性我国密封材料及制品经过十多年的发展和技术引进，形成了一定的生产能力和规模 一般产品能满足各类主机的配套要求，但高压、高速、精密、耐高温低温和耐腐蚀的密封件与国际水平有较大差距近期产业化的重点是：轿车及中高档轻型车动力传动、减振、制动系统用密封材料及制品规模化生产示范基地建设；重大成套设备中高压、液压、气动系统用密封件；电力设备中高温、高压机械密封；石化工业中高速透平压缩机非接触气膜密封；金属磁流体动密封4、纳米材料和特种粉末及其制品纳米材料因其纳米效应而具有特殊的性能和广泛的用途 是目前科技发展重要热点之一近年来 我国在纳米材料的研究开发和应用方面取得了很大进展 形成了一批拥有自主知识产权的技术并开始产业化近期产业化的重点是：以纳米粉体材料、纳米膜材料、纳米催化材料和纳米晶金属材料为重点 实现低成本、环境友好以及质量稳定的规模化生产；加快纳米材料规模化应用于信息、通信、医疗和环保等新兴产业以及能源、交通、化工、建材、纺织和轻工等基础产业，改进性能，提高效率 促进技术进步；加快发展粉末冶金摩擦材料、高温合金粉末以及高纯超细陶瓷粉体材料链接： 二十一世纪将是材料-电子一体化的世纪作为新型功能材料家庭中的重要成员,形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器,在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势本文详细阐明了形状记忆合金的晶体学、热力学特性,概述了该材料的几种典型应用实例在此基础上,综述了这一功能材料的应用优势
中国作为稀土主要的资源供应国，也是主要的稀土生产国，在稀土资源开发与利用等方面持续改革。目前，中国稀土采取开采总量控制措施，全国稀土开采、冶炼分离由六大集团完成。前瞻在此分析中国稀土产业竞争格局及市场份额情况。
稀土产业主要上市公司：目前国内稀土产业的上市公司主要有北方稀土(600111)、广晟有色(600259)、五矿稀土(000831)、厦门钨业(600549)。
本文核心数据：稀土产业市场集中度、稀土企业市场份额
1、中国稀土产业竞争梯队
近年来，国家持续加强了对稀土行业的规范管理，并相继实施了稀土环保核查、稀土行业准入、严控稀土生产总量控制计划、稀土专用发票改革、取消出口配额限制、资源税从价计征改革以及稀土大集团整合等系列政策、措施。
由于我国对稀土采取开采总量控制措施，全国稀土开采、冶炼分离国家规定由中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司、中国南方稀土集团有限公司、中国稀有稀土股份有限公司、广东省稀土产业集团有限公司、五矿稀土集团有限公司和厦门钨业股份有限公司六大稀土集团完成。
稀土产业依据企业的注册资本划分，可分为3个竞争梯队。其中，注册资本大于30亿元的企业仅有中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司;注册资本在10-30亿元之间的企业有五矿稀土集团有限公司、厦门钨业股份有限公司、中国稀有稀土股份有限公司、广东省稀土产业集团有限公司;中国南方稀土集团有限公司注册资本在10亿元以下。
2、中国稀土产业市场集中度及市场份额
我国稀土产业存在严格的准入资质，进入壁垒极高。2020年，我国稀土开采总量控制指标在14万吨，其中中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司稀土开采分配总量最多，稀土矿与冶炼分离产品合计总量为137334吨，占比达到;
其次是中国南方稀土集团有限公司和中国稀有稀土股份有限公司，合计总量分别为27112吨和23879吨，占比分别为和。
广东省稀土产业集团有限公司、五矿稀土集团有限公司和厦门钨业股份有限公司市占率分别为、和。
从趋势上看，2018-2020年中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司市场份额逐年下滑，稀土产业CR2、CR3和CR4的集中度也整体呈现波动下滑趋势。
3、中国稀土产业企业布局及竞争力评价
在中国稀土产业中，中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司是中国乃至全球最大的轻稀土供应商。稀土原料产品包括稀土盐类、稀土氧化物及稀土金属，2020年该业务营收为亿元，占整个公司营收的。
从企业稀土业务的竞争力来看，中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司、中国南方稀土集团有限公司、中国稀有稀土股份有限公司竞争力排名较强;其次是广东省稀土产业集团有限公司、五矿稀土集团有限公司、厦门钨业股份有限公司。
4、中国稀土产业竞争状态总结
从五力竞争模型角度分析，目前，我国稀土产业属于国家战略性新兴产业，替代品威胁较小;现有竞争者数量有限，市场集中度高;稀土开采、冶炼工作由六大稀土集团进行，不存在议价情况，而下游消费市场主要是稀土产品加工，对下游议价能力较强;同时，因产业存在严格的准入资质门槛，潜在进入者威胁较小。
—— 更多数据请参考前瞻产业研究院《中国稀土产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》