碳：第四次浪潮的主角元素

碳:第四次浪潮的主角元素作者：北京四十四中学章宜坤指导教师：北京四十四中学杨翠英碳：第四次浪潮的主角元素1二〇一一年九月目录【摘要】................................................2【关键词】..............................................2引言.................................................3一、主要技术领域现状....................................3二、碳关联新技术........................................81、碳纤维............................................82、碳纳米管.........................................103、力学性能.........................................104、电学性能.........................................125、热学性能.........................................126、其它性能.........................................13三、综合分析及结论.....................................13附件：相关资料.........................................151、碳纳米管能发光亮度比发光二极管高1千倍...........152、碳纳米管太阳能电池研制成功........................153、新碳纳米管天线可收集更多太阳光....................164、太阳能碳纳米管染料或取代电池......................185、美国制成碳纳米管增强型风电叶片....................20体会及致谢.............................................21参考文献...............................................22碳：第四次浪潮的主角元素2碳:第四次浪潮的主角元素【摘要】世界著名未来学家阿尔文·托夫勒(AlvinToffler)在1980年出版的《第三次浪潮》中，提出全球人类经历了第一次浪潮（农业革命）、第二次浪潮（工业革命）的冲击后，正在迎接第三次浪潮（信息革命）的到来。历史证明了他预言的惊人准确性。21世纪开始，全球掀起了第四次浪潮——能源革命。关于第三次浪潮——信息时代的主要技术基础是计算机和互联网。众所周知，计算机的核心硬件是芯片；互联网的核心硬件是光导纤维，它提供了大容量长距离的信息传输能力。从普通化学的角度讲，计算机的核心硬件（芯片）的主要成分是硅，互联网的核心硬件（光纤）的主要成分是二氧化硅，也是硅元素。可以说，硅是第三次浪潮的主角元素。顺着这个思路，第四次浪潮，也就是能源革命的主角元素存在吗？如果存在，会是谁呢？我研究的结论：碳元素，将是能源革命的主角。【关键词】碳元素第四次浪潮能源革命主角碳：第四次浪潮的主角元素3引言与长辈的交谈使我意识到身边随处可见、习以为常、司空见惯、已被广泛应用的高科技产品，在几十年前还曾被当作梦来想象。以致于现在，祖辈们稍不留神就成为了“科盲”，如同当年的文盲一样融不到当今社会来。仅两代之差，就充分体现了时代的变迁之快，可见革命的力量之大。已知第三次浪潮的爆发有两大硬件条件：一是半导体技术，奠定了计算机的硬件基础；二是光纤问世，奠定了信息网的硬件基础。中国香港的高锟先生因在光纤理论和应用上做出的突出贡献，获得了2009年诺贝尔物理奖。从科普资料中得知，光纤的主要成分是二氧化硅。联想到，计算机的核心硬件（芯片）的主要成分也是硅，所以从普通化学的角度看，可以概括地说，硅是第三次浪潮的主角元素。由此，萌发了对能源革命主角元素探索的兴趣。第四次浪潮——能源革命的主角元素存在吗？如果存在，会是谁呢？让我们逐一剖析。一、主要技术领域现状所谓能源革命，就是人类自史以来关于能源的开发和利用方式上的巨大转变。碳：第四次浪潮的主角元素4随着人类能源消费的大幅度增长，迄今作为主流的煤炭、石油等不可再生的矿物能源，其耗尽只是时间问题。且超量矿物能源的燃烧，造成了大气严重污染、“酸雨”和“温室效应”等，成为使大自然气候恶化的罪魁祸首。20世纪60年代以来，能源革命的呼声日渐高涨。越来越多的人认可，以新能源（如核能）和可再生能源（包括水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源，是必然的趋势。新能源的应用，较成熟的是核能技术。但2011年地震引发的日本福岛核电站事件，使得全球开始重新审视，变得更为慎重。相形之下，可再生能源的应用、开发则得到人们更多青睐。1、太阳能太阳光普照大地，没有地域的限制。无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点尤为宝贵的。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。太阳能电池，是一种阳光照射下就会产生直流电的发电装置。目前常见的主要有晶体硅光电池和非晶硅光电池两种。2、晶体硅光电池晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，是光伏市场上的主导产碳：第四次浪潮的主角元素5品。采用半导体技术生产。前者生产率低而光电转换效率较高，最高30%；后者生产率高但光电转换效率较低，最高18.6%。简单的硅光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电。晶体硅光电池的光电转换效率对环境(如阳光入射角度、天空晴朗程度等)的依赖性较高。若想得到稳定可靠的发电功率，往往需要面积相当大的收集和转换设备，因此造价较高。另外，对于固定地点而言，阳光照射时间由于昼夜关系而间断，所以储电设备必不可少。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，目前蓄能是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。目前晶体硅光电池最高转换效率不超过30%，实用效率取决于使用环境会更低。3、非晶硅光电池非晶硅光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，因此也称薄膜电池。易于大面积（0.5m×1.0m）生产，成本较低。为提高效率和改善稳定性，有时还制成多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。生产率可高碳：第四次浪潮的主角元素6达90%，小面积光电转换效率可达14.6%，大面积量产为8-10%，叠层结构的最高效率为21%。4、风能地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。（1）装置风力发电的机理，是利用自然风力驱动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，使发电机发电。风力发电机组，主要包括风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。其中风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。然而有风的地方常常有沙，风沙对风力发电设备磨损非常严重。理想的桨叶材料要求强度高而重量轻，目前多用玻璃钢。（2）传输我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更高。但风速高的地区往往远离城市，因此电力远程输送就是不可回避的问题。低损耗、低成本的强电传输系统，是风电技术走向实用、得以推广的一道不小障碍。碳：第四次浪潮的主角元素75、新光源人类照明的历史经历了漫长的发展过程。由最早的燃烧木材，到1772年改为燃气，直至1879年爱迪生发明白炽灯，进入了一个崭新的时代。20世纪末，半导体技术引发了照明革命——半导体发光二极管（LED）的固态照明，开始逐步取代白炽灯和荧光灯，进入普通照明领域。LED固态照明被认为是划时代新光源，是因为在同样照度下，它耗电仅是白炽灯的十分之一，而寿命却长数十倍。且是冷光源，光效高、工作电压低、体积小、牢固、环保、响应速度快……半导体灯现已开始广泛应用于室内外照明、仪器仪表指示、背景显示、电子屏幕、便携照明、交通指示、汽车照明等各个领域。6、氢能氢气被很多人视为未来的清洁能源。作为气体燃料，首先被应用在汽车上。用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4%的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40%，而且无需对汽油发动机作多大的改进。氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波碳：第四次浪潮的主角元素8罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。与其它燃料相比，氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。所以氢能大规模应用的瓶颈问题是缺乏可靠高效的储存手段。二、碳关联新技术1、碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它的强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、还能像铜那样导电，是具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机由于轻巧，所以消耗碳：第四次浪潮的主角元素9动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。碳纤维技术最早现身于民间的应用，是体育项目中的竞技工具，如网球拍、羽毛球拍、自行车架等。重量轻、弹性佳、硬度高等特点，使运动员爱不释手、如虎添翼。采用了碳纤维材料的新型运动鞋已经出现在国内的电视广告中。政府出台鼓励购买使用低排放环保型车辆的政策，是为了达到“减排”的目的。众所周知，汽车的排量与车体重量是呈正相关关系的。车体重，需要大功率发动机驱动，所以相应的排量也就大。所以减轻车体重量，是“减排”的一个有效手段。2011年，德国宝马公司新型概念车亮相。其大量采用了碳纤维强化塑料，从而降低车身重量。宝马还宣称：计划在未来几年推出一款电力驱动汽车，将更多地使用碳纤维来降低汽车的重量，以使电动汽车具有足够好的性能。宝马已投资1亿美元建造自己的碳纤维工厂，以保证轻质材料的供应。碳纤维的受重视程度和广阔前景，由此可见一斑。碳：第四次浪潮的主角元素102、碳纳米管纳米技术是一项新技术，它的产品所展现出的优异性能令世人耳目一新。而碳纳米技术所展现出来的甚至可以成为神奇，令人匪夷所思。1991年日本NEC公司电子显微镜专家饭岛发现了同轴纳米管组成的碳分子，即碳纳米管。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材