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1、新型清洁能源——纳米金属燃料探究 人类在享受汽车带来的便利的同时,也不得不忍受汽车尾气造成的空气污染,而全球变暖和油价高起更让寻找替代能源成了迫切的要求。太阳能汽车、氢燃料电池汽车、油电混合动力汽车应运而生。尽管它们正在获得越来越多的认可,却依然不尽如人意。比如售价不低或使用成本过高,再比如性能上仍无法和汽油或柴油动力车媲美。有没有其他解决方案呢? 美国田纳西州橡树岭国家实验室的科学家也在研究这个课题,他们想到一种非常新奇的解决方法:以金属作为发动机的燃料。实验室的戴夫·比奇博士认为,铁、铝、硼都可以用作新的替
2、代能源。 根据比奇的计算,使用特制的发动机和同等体积的金属燃料,一辆轿车的行驶距离是普通汽油动力汽车的3倍。而且由于燃烧的是金属燃料,它几乎没有污染,也就是说没有二氧化碳、氮氧化物,也没有灰尘和煤烟。这种金属燃料甚至还可以被循环使用。只要将用过的纳米颗粒放到氢气环境下进行加热,它们就会再次成为可用的燃料。 沉甸甸、冷冰冰的铁块中居然蕴藏着能量,而且还能被点燃?这简直不可思议,这样一来发动机的外壳要用什么物质来制造呢?不过,既然汽车可以用各种各样的燃料比如甲烷、煤粉以及火药作为动力来源,那么它为何就不能以金属作为
3、燃料呢。事实上,正常状态下的铁是不能被用做燃料的,但是当铁块被加工成纳米级的微粒时,它就具有了很高的反应活性,将其点燃会释放出大量能量。 其实在燃料中使用金属并不是异想天开。由于纳米粉末具有极强的储能特性,将其作为添加剂加入到燃料中可大大提高燃烧效率。火箭已经在使用金属粉末作为燃料添加剂了,将一些Q345B方管www.xblfg.combd纳米粉末添加到火箭的固体燃料推进剂中,可大幅度提高燃料的燃烧热和燃烧效率,以及改善燃烧稳定性。研究表明,向火箭固体燃料中加入0.5%纳米铝粉或镍粉,可使燃烧效率提高10%—25
4、%,燃烧速度加快数十倍。此外,火箭动力的鱼雷也使用了金属粉末。 当然,火箭发动机使用金属的方法与这里讨论的汽车发动机有很大差异。当金属颗粒比如铁和铝与空气接触时,它的表面会生成一层氧化物,只有将其除去才可能点燃金属。这一般需要一个温度高于2000度的热源,氧化层将在这个温度下被汽化从而暴露出金属原子。这个要求对于火箭而言虽然容易,但对汽车发动机而言就成了一个难题。而对于内燃机来说,另一个难题则是一旦汽化的金属氧化物冷却就会凝固成为灰烬。 橡树岭实验室的另一个科学家所罗门·拉比诺夫对这两个问题非常熟悉。早在20世
5、纪80年代,当他还在乌克兰基辅的一个工学院做助教时,拉比诺夫的研究小组就尝试在内燃机中燃烧微米级的铁颗粒。他们对发动机进行了改进使它能够耐受高温,然而氧化物灰烬会堆积在活塞、汽缸壁和阀门上从而堵塞发动机。他们当时因没能找到解决方法只好放弃。 后来拉比诺夫去了美国,开始在橡树岭工作。2003年,他建议比奇和理论学家博比·桑普特重新开始研究这个问题,这次他们使用的是纳米级的颗粒,比单个原子大不了多少。 纳米材料包含了若干个原子、分子,使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、
6、分子“组合”在一起时,表现出既不同于单个原子、分子的性质,也不同于大块物体的性质,这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质,如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时,奇特的性质又会失去。通俗来说,纳米材料一方面可以被当作一种“超分子”,充分地展现出量子效应;而另一方面它也可以被当作一种非常小的“宏观物质”,以至于表现出前所未有的特性。 在试验中,研究人员发现直径50纳米的铁颗粒比拉比诺夫原来研究的微米级铁颗粒更容易燃
7、烧:加热到250度,或者仅仅是一个火花就可以点燃。随着研究的深入,他们发现纳米金属颗粒有越来越多的神奇特性。 纳米颗粒的单位体积表面积(比表面积)很大,因而容易燃烧。铁非常容易与氧气反应,所以如果许多铁原子同时暴露在空气中,氧化过程将产生大量热量从而点燃金属。为了避免这种反应,在制造纳米颗粒时一般要给它包覆一层氧化层。但即使有氧化层,极大的比表面积也使金属纳米颗粒只要少量热量就能在氧气分子中点燃。 一旦点燃,纳米颗粒会很快燃烧,最高温度可以达到800度,在不会熔化合金发动机的同时也能有足够的能量供使用。更为重要
8、的是,纳米颗粒与微米级颗粒不同,它燃烧的温度不会高到使自己汽化或熔化,只会产生氧化物颗粒,所以不会粘在汽缸壁上以至堵塞发动机。 燃烧留下的氧化铁粉末使比奇想到了金属燃料的另一个优势:氧化铁很容易再转换成燃料。他在氢气流中将氧化铁加热到425度,氧化铁又变回了铁原子,氢则和氧结合生成了水。 接下来的问题就是如何才能把金属当作燃料使用。 纳米颗粒燃烧很快,
