Випуски УФМ »  Том 19, випуск 4

Від наноматеріялів і нанотехнологій до альтернативної енергетики

О. Г. Гугля$^{1}$, В. А. Гусєв$^{2}$, О. А. Любченко$^{3}$

$^1$Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, вул. Академічна, 1, 61108 Харків, Україна
$^2$Північно-Східний науковий центр НАН і МОН України, вул. Багалія, 8, 61000 Харків, Україна
$^3$Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, 61002 Харків, Україна

Отримана: 03.08.2018; остаточний варіант - 25.10.2018. Завантажити: PDF

Питання використання альтернативних джерел енергії в різних областях промисловости та в побуті набуває все більшої актуальности. Це зумовлено тим, що виснажуються джерела вуглеводневої сировини й, одночасно з цим, використання вуглеводнів призводить до погіршення екологічної обстановки та забруднення навколишнього середовища. Серед різних можливих джерел відновлюваної енергії сонячна та воднева енергії вважаються найбільш перспективними. Головною перешкодою на шляху їх широкого використання та поширення вважається відсутність матеріялів, які можуть ефективно перетворювати енергію Сонця та водню в електрику й тепло. Основними вимогами до таких матеріялів є висока енергетична місткість, структурна стабільність і низька ціна. Ці властивості притаманні нанокристалічним матеріялам; тому саме їм присвячено численні дослідження останніх десятиліть. У даному огляді особлива увага приділяється трьом видам нанокристалічних об’єктів, що представляють найбільший інтерес для енергетики, а саме, сонячним елементам, літій-йонним батареям і твердотільним накопичувачам водню. Розглянуто їхні структурні особливості, технології виготовлення, а також взаємозв’язок між структурою й енергетичною місткістю. Проаналізовано стан і перспективи використання нанокристалічних структур у відновлюваній енергетиці.

Ключові слова: альтернативна енергетика, наноматеріяли, сонячні елементи, літій-йонні батареї, накопичення водню.

PACS: 61.46.-w, 61.48.-c, 68.37.-d, 68.43.-h, 68.65.-k, 81.05.U-, 81.05.Zx, 81.07.-b, 81.16.-c, 81.70.-q, 82.45.Yz, 82.47.Aa, 88.05.Ec, 88.05.Gh, 88.05.Lg, 88.05.Np, 88.30.G-, 88.30.M-, 88.30.R-, 88.40.-j, 88.40.H-, 88.40.J-, 89.30.-g

Citation: O. G. Guglya, V. A. Gusev, and O. A. Lyubchenko, From Nanomaterials and Nanotechnologies to the Alternative Energy, Usp. Fiz. Met., 19, No. 4: 442—486 (2018), doi: 10.15407/ufm.19.04.442

Цитована література (122)  
  1. A. Demirbas, Energy Sources, Part B, 4, No. 2: 212 (2009). Crossref
  2. K. G. Satyanarayana, A. Mariano, and J. V. C. Vargas, Int. J. Energy Research, 35, No. 4: 291 (2011). Crossref
  3. U. Sahaym and M. G. Norton, J. Mater. Science, 43, No. 16: 5395 (2008). Crossref
  4. N. S. Lewis, Science, 315: No. 5813: 798 (2007).
  5. Y. Sun, N. Liu, and Y. Cui, Nature Energy. 1: 16071 (2016). Crossref
  6. R. P. Feynman, Engineering and Science, 23, No. 5: 22 (1960).
  7. N. Taniguchi, Proc. of the Int. Conf. on Production Engineering (Tokyo: 1974), p. 18.
  8. D. E. Carlson and C. R. Wronski, Appl. Phys. Lett., 28, No. 11: 671 (1976). Crossref
  9. G. Binning and H. Rohrer, Surf. Sci., 126, Nos. 1–3: 236 (1983). Crossref
  10. G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett., 56, No. 9: 930 (1986). Crossref
  11. S. Iijima, Nature, 354: 56 (1991). Crossref
  12. T. P. Yadav, R. M. Yadav, and D. P. Singh, Nanosci. Nanotechnol., 2, No. 3: 22 (2012). Crossref
  13. H. Gleiter, Prog. Mater. Sci., 33, No. 4: 223 (1989). Crossref
  14. R. Birringe, Mater. Sci. Eng. A, 117, 33 (1989). Crossref
  15. R. Thiruvengadathan, V. Korampally, A. Ghosh, N. Chanda, K. Gangopadhyay, and S. Gangopadhyay, Rep. Prog. Phys., 76, No. 6: 066501 (2013). Crossref
  16. J. L. Liu and S. Bashir, Advanced Nanomaterials and Their Application in Renewable Energy (Amsterdam: Elsevier: 2015). Crossref
  17. P. Edwards, R. Johnston, and C. Rao, Metal Clusters in Chemistry (Eds. R. Braunstein, L. Oro, and P. Raithby) (Weinheim: Wiley-VCH: 1999), Vol. 3, p. 1454.
  18. N. T. Gladkih, S. V. Gukarov, A. P. Kryshtal, V. I. Larin, V. N. Suhov, and S. I. Bogatyrenko, Poverkhnostnye Yavleniya i Fazovye Prevrashcheniya v Kondensirovannykh Plenkakh [Surface Phenomena and Phase Transformations in Condensed Films] (Kharkov: KhNU: 2004) (in Russian).
  19. K. T. Lee and J. Cho, Nano Today, 6: 28 (2011). Crossref
  20. Y. G. Guo, J. S. Hu, and L. J. Wan, Adv. Mater., 20, No. 15: 2878 (2008). Crossref
  21. R. Morris, B. Dixon, T. Gennett, R. Raffaelle, and M. J. Heben, J. Power Sources, 138: 277 (2004). Crossref
  22. Z. Zhou, J. Zhao, X. Gao, Z. Chen, J. Yan, P. von Rague Schleyer, and M. Morinada, Chem. Mater., 17, No. 5: 992 (2005). Crossref
  23. H. Xie, Y. Li, S. Jin, J. Han, and X. Zhao, J. Phys. Chem. C, 114, No. 21: 9706 (2010). Crossref
  24. M. S. Wu and R. H. Lee, J. Power Sources, 176, No. 1: 363 (2008). Crossref
  25. G. Zhang, L. Yu, H. E. Hoster, and X. W. Lou, Nanoscale, 5, No. 3: 877 (2013). Crossref
  26. J. Chen, X. H. Xia, J. P. Tu, Q. G. Xiong, Y. X. Yu, and X. L. Wang, J. Mater. Chem., 22, No. 30: 15056 (2012). Crossref
  27. A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, and P. G. Bruce, Angew. Chem. Int. Ed., 116, No. 17: 2336 (2004). Crossref
  28. A. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, and P. G. Bruce, Adv. Mater., 17, No. 6: 862 (2005). Crossref
  29. M. C. Yang, Y. Y. Lee, B. Xu, K. Powers, and Y. S. Meng, J. Power Sources, 207: 166 (2012). Crossref
  30. J. Luo, X. Xia, Y. Luo, C. Guan, J. Liu, X. Qi, C. F. Ng, T. Yu, H. Zhang, and H. J. Fan, Adv. Energy Mater., 3, No. 6: 737 (2013). Crossref
  31. H. Wang, D. Ma, X. Xuang, Y. Huang, and X. Zhang, Sci. Rep., 2: 701 (2012). Crossref
  32. X. Li, Y. Chen, H. Yao, X. Zhau, J. Yang, H. Huang, Y.-W. Mai, and L. Zhou, RSC Advances, 4: 39906 (2014). Crossref
  33. S. Guo, J. Liu, S. Qiu, Y. Wang, X. Yan, N. Wu, S. Wang, and Z. Guo, Electrochim. Acta, 190: 556 (2016). Crossref
  34. P. Bruce, B. Scrosati, and J.-V.Tarascon, Angewandte Chemie, 47, No. 16: 2930 (2008). Crossref
  35. C. Delmas, M. Maccario, L. Croguennec, F. Le Cras, and F. Weill, Nature Mater., 7: 665 (2008). Crossref
  36. R. Malik, D. Burch, M. Bazant, and G. Ceder, Nano Lett., 10, No. 10: 4123 (2010). Crossref
  37. D. Wang, H. Buga, M. Grouzet, G. Deghenghi, T. Drezen, I. Exnar, N.-H. Kwon, J. H. Miners. L. Poletto, and M. Graszel, J. Power Sources, 189, No. 1: 624 (2009). Crossref
  38. J. D. Eppinga and B. F. Chmelka, Cur. Opin. Colloid Interface Sci., 11, Nos. 2–3: 81 (2006). Crossref
  39. F. Jiao, K. M. Shaju, and P. G Bruce, Angew. Chem. Int. Ed., 44, No. 40: 6550 (2005). Crossref
  40. K. Wong and S. Dia, J. Energy Resour. Technol., 139, No. 1: 014001 (2016). Crossref
  41. https://www.solarwind-sensor.com/wp-content/uploads/2014/04/Silicon-cell-convertible-spectrum.png.
  42. S. H. Jensen, P. H. Larsen, and M. Mogensen, Int. J. Hydrogen Energy, 32, No. 15: 3253 (2007). Crossref
  43. M. D. Kelzenberg, S. W. Booettcher, J. A. Petykiewicz, D. B. Turnet-Evans, E. L. Warren, J. M. Spurgeon, R. M. Briggs, N. S. Lewis, and H. A. Atwater, Nature Mater., 9, No. 3: 239 (2010). Crossref
  44. J. Zhu, Z. Yu, G. F. Burkhard, C. M. Connor, Y. Xu, Q. Wang, M. McGehee, S. Fan, and Y. Gui, Nano Lett., 9, No. 1: 279 (2009). Crossref
  45. http://www.rusnano.com/about/press-centre/news/75461.
  46. S. Ito, T. N. Murakami, P. Comte, P. Liska, C. Grätzel, M. K. Nazeeruddin, and M. Grätzel, Thin Solid Films, 516: 4613 (2008). Crossref
  47. H. P. Wu, C. M. Lan, J. Hu, W. K. Huang, J. W. Shiu, Z. J. Lan, C. M. Tsai, C. H. Su, E. W. G. Diau, J. Phys. Chem. Lett., 4, No. 9: 1570 (2013). Crossref
  48. https://genesisnanotech.wordpress.com/2014/12/19/dye-sensitized-solar-cells-and-new-solar-energy-material-perovskite-19-conversion-efficiancy.
  49. M. Nazeeruddin, A. Ray, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopoulos, and M. Graetzel, J. Am. Chem. Soc., 115, No. 14: 6382 (1993). Crossref
  50. M. Nazeeruddin, P. Pechy, T. Renouard, S. M. Zakeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Comte, P. Liska, L. Cevey, E. Costa, V. Shklover, L. Spiccia, G. B. Deacon, C. A. Bignozzi, and M. Gratzel, J. Am. Chem. Soc., 123, No. 8: 1613 (2001). Crossref
  51. K. F. Chou and A. M. Dennis, Sensors, 15, No. 6: 13288 (2015). Crossref
  52. Z. Abdin, M. A. Alim, R. Saidur, M. R. Islam, W. Rashmi, S. Mekhilef, and A. Wadi, Renew. Sust. Energy Rev., 26: 837 (2013). Crossref
  53. Y. Bai, I. Mora-Sero, F. De Angelis, and P. Wang, Chem. Rev., 114, No. 19: 10095 (2014). Crossref
  54. J. Llorca, Contrib. Sci., 7, No. 1: 57 (2011). Crossref
  55. https://esdr.lbl.gov/news/article/11190/berkeley-lab-research-helps-fuel-cells-meet-their-potential.
  56. DOE Technical Targets for Onboard Hydrogen Storage for Light-Duty Vehicles; https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-onboard-hydrogen-storage-light-duty-vehicles.
  57. A. Zuttel, P. Sudan, Ph. Mauron, T. Kiyobayashi, Ch. Emmenegger, and L. Schlapbach, Int. J. Hydrogen Energy, 27, No. 2: 203 (2002). Crossref
  58. I. P. Jain, P. Jain, and A. Jain, J. Alloys Compd., 503, No. 2: 303 (2010).
  59. http://spie.org/newsroom/1451-designing-novel-carbon-nanostructures-for-hydrogen-storage?SSO=1.
  60. I. Yu. Sagalyanov, Yu. I. Prylutskyy, T. M. Radchenko, and V. A. Tatarenko, Usp. Fiz. Met., 11, No. 1: 95 (2010) (in Ukrainian). Crossref
  61. L. L. Kondratenko, O. V. Mykhailenko, Yu. I. Prylutskyy, T. M. Radchenko, and V. A. Tatarenko, Usp. Fiz. Met., 11, No. 3: 369 (2010) (in Ukrainian). Crossref
  62. T. M. Radchenko, V. A. Tatarenko, I. Yu. Sagalianov, and Yu. I. Prylutskyy, Graphene: Mechanical Properties, Potential Applications and Electrochemical Performance (Ed. B. T. Edwards) (Hauppauge, N.Y., USA: Nova Science Publishers, Inc.: 2014), Ch. 7, p. 219.
  63. A. C. Dillon, K. M. Jones, T. A. Bekkedahl, C. H.Kiang, D. S. Bethune, and M. J. Heben, Nature, 386: 377 (1997). Crossref
  64. P. Benard, R. Chahine, P. Chandonia, D. Cossement, G. Dorval-Douville, L. Lafia, P. Lachance, R. Paggiaro, and E. Poirier, J. Alloys Compd., 446–447: 380 (2007). Crossref
  65. S. Beyaz, F. Darkrim Lamari, B. Weinberger, and P. Langlois, Int. J. Hydrogen Energy, 35, No. 1: 217: (2010). Crossref
  66. F. Darkrim, J. Vermesse, and P. Malbrunot, J. Chem. Phys., 110, No. 8: 4020 (1999). Crossref
  67. Q. Wang and J. K. Johnson. J. Chem. Phys., 110, No. 1: 577 (1999). Crossref
  68. M. Hirscher, M. Becher, M. Halushka, F. von Zeppellin, X. Chen, U. Dettlaff-Weglikowska, and S. Roth, J. Alloys Compd., 356–357: 433 (2003). Crossref
  69. A. D. Lueking and R. T. Yang, Appl. Catal. A, 265: 259 (2004). Crossref
  70. G. Yushin, R. Dash, J. Jagiello, and Y. Gogotsi, Adv. Funct. Mat., 16, No. 17: 2288 (2006). Crossref
  71. R.J.-M. Pelleng, F. Marinelly, J. D. Fuhr, F. Fernandez-Alonso, and K. Refson, J. Chem. Phys., 129, No. 22: 224701 (2008). Crossref
  72. V. Bhat, C. Contescu, N. Gallego, and F. Baker, Carbon, 48, No. 5: 1331 (2010). Crossref
  73. J. L. C. Rowsell and O. M. Yaghi, Angew. Chem. Int. Ed., 44, No. 30: 4670 (2005). Crossref
  74. N. L. Rosi, J. Eckert, M. Eddaoudi, D. T. Vodak, J. Kim, M. O’Keeffe, and O. M. Yaghi, Science, 300, No. 5622: 1127 (2003). Crossref
  75. G. Ferey, M. Latroche, C. Serre, F. Millange, T. Loiseau, A. Percheron-Guegan, Chem. Commun., 0, No. 24: 2976 (2003). Crossref
  76. M. Hirscher, B. Panella, and B. Schmitz, Micropor. Mesopor. Mat., 129, No. 3: 335 (2010). Crossref
  77. D. J. Collins and H. C. Zhou, J. Mat. Chem., 17, No. 30: 3154 (2007). Crossref
  78. M. Latroche, S. Surble, C. Serre, C. Mellot-Draznieks, P. L. Llewellyn, J. H. Lee, J. S. Chang, S. H. Jhung, and G. Ferey, Angew. Chem. Int. Ed., 45, No. 48: 8227 (2006). Crossref
  79. A. G. Wong-Foy, A. J. Matzger, and O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc., 128, No. 11: 3494 (2006). Crossref
  80. H. K. Chae, D. Y. Siberio-Perez, J. Kim, Y. B. Go, M. Eddaoudi, A. J. Matzger, M. O’Keeffe, and O. M. Yaghi, Nature, 427: 523 (2004). Crossref
  81. J. L. C. Rowsell and O. M. Yaghi, Angew. Chem. Int. Ed., 44, No. 30: 4670 (2005). Crossref
  82. J. L. C. Rowsell, A. R. Millward, K. S. Park, and O. M. Yaghi, J. Amer. Chem. Soc., 126, No. 18: 5666 (2004). Crossref
  83. G. Sandrock, J. Alloys Compd., 293–295: 877 (1999). Crossref
  84. R. Wiswall, Hydrogen in Metals II. Application-Oriented Properties (Eds. G. Alefeld and J. Volkl) (Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag: 1978), Chapter 5, p. 201. Crossref
  85. Y. Fukai, The Metal–Hydrogen Systems. Basic Balk Properties (Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag: 2005). Crossref
  86. A. Zaluska, L. Zaluski, and J. O. Ström-Olsen, J. Alloys Compd., 288, Nos. 1–2: 217 (1999). Crossref
  87. G. Barkhordarian, T. Klassen, and R. Bormann, J. Alloys Compd., 364, Nos. 1–2: 242 (2004). Crossref
  88. M. U. Niemann, S. S. Srinivasan, A. R. Phani, A. Kumar, D. Y. Goswami, and E. K. Stefanakos, J. Nanomaterials, 2008: 950967 (2008). Crossref
  89. G. Liang, J. Huot, S. Boily, and A. Van Neste, J. Alloys Compd., 292, Nos. 1–2: 247 (1999). Crossref
  90. F. Gennari, F. Castra, G. Urretavizcaya, and G. Meyer, J. Alloys Compd., 334, Nos. 1–2: 277 (2002). Crossref
  91. W. Oelerich, T. Klassen, and R. Bormann, J. Alloys Compd., 322, Nos. 1–2: L5 (2001). Crossref
  92. G. Liang, J. Huot, S. Boily A. Van Neste, and R. Schulz, J. Alloys Compd., 291, Nos. 1–2: 295 (1999). Crossref
  93. H. G. Schimmel, J. Huot, L. C. Chapon, F. D. Tichelaar, and F. M. Mulder, J. Am. Chem. Soc., 127, No. 41: 14348 (2005). Crossref
  94. Z. Dehouche, R. Djaozangry, J. Huot, S. Boily, J. Goyette, T. K. Bose, and R. Schulz, J. Alloys Compd., 305, Nos. 1–2: 264 (2000). Crossref
  95. K. S. Jung, E. Y. Lee, and K. S. Lee, J. Alloys Compd., 421, Nos. 1–2: 179 (2006). Crossref
  96. W. Oelerich, T. Klassen, and R. Bormann, J. Alloys Compd., 315, Nos. 1–2: 237 (2001). Crossref
  97. K. Higuchi, Y. Yamamoto, H. Kajioka, K.Toiyama, M. Honda, and S. Orimo, J. Alloys Compd., 330–332: 526 (2002). Crossref
  98. K. Higuchi, H. Kajioka, K. Toiyama, H. Fujii, S. Orimo, and Y. Kikuchi, J. Alloys Compd., 293–295: 484 (1999). Crossref
  99. H. Akyildiz, M. Ozenbas, and T. Ozturk, Int. J. Hydrogen Energy, 31, No. 10: 1379 (2006). Crossref
  100. T. Richardson, B. Farangis, J. Slack, P. Nachimuthu, R. Perera, N. Tamura, and M. Rubin, J. Alloys Compd., 356–357: 204 (2003). Crossref
  101. P. Chen, Z. Xiong, J. Luo, J. Lin, and K. L. Tan, Nature, 420: 302 (2002). Crossref
  102. H. Leng, T. Ichikawa, S. Isobe, S. Hino, N. Hanada, and H. Fujii, J. Alloys Compd., 404–406: 443 (2005). Crossref
  103. T. Ichikawa, S. Isobe, N. Hanad, and H. Fujii, J. Alloys Compd., 365, Nos. 1–2: 271 (2004). Crossref
  104. Z. Xiong, J. Hu, G. Wu, P. Chen, W. Luo, K. Gross, and J. Wang, J. Alloys Compd., 398, Nos. 1–2: 235 (2005). Crossref
  105. Z. Xiong, G. Wu, J. Hu, and P. Chen, J. Alloys Compd., 441, Nos. 1–2: 152 (2007). Crossref
  106. W. Luo, J. Alloys Compd., 381, Nos. 1–2: 284 (2004). Crossref
  107. J. Yang, A. Sudik, D. Siegel, D. Halliday, A. Drews, R. O. Carter, C. Wolwerton, G. J. Lewis, J. W. A. Sachtler, J. J. Low, S. A. Faheem, D. A. Lesch, and V. Ozolins, Angew. Chem. Int. Ed., 47, No. 5: 882 (2008). Crossref
  108. A. Goncharov, A. Guglya, and E. Melnikova, Int. J. Hydrogen Energy, 37, No. 23: 18061 (2012). Crossref
  109. A. Goncharov, A. Guglya, A. Kalchenko, E. Solopikhina, V. Vlasov, and E. Lyubchenko, J. Nanotechnology, 2017: 4106067 (2017). Crossref
  110. K. Papathanassopoulos and H. Wenzl, J. Phys. F: Metal Phys., 12, No. 7: 1369 (1982). Crossref
  111. H. Numakura and M. Koiwa, Acta Metall., 32, No. 10: 1799 (1984). Crossref
  112. S. R. Peddada, I. M. Robertson, and H. K. Birnbaum, Mater. Res., 8, No. 2: 291 (1993). Crossref
  113. A. Guglya, E. Lyubchenko, Yu. Marchenko, E. Solopikhina, and V. Vlasov, Int. J. Hydrogen Energy, 41, No. 22: 9410 (2016). Crossref
  114. A. Fujishima, K. Kohayakawa, and K. Honda, J. Electrochem. Soc., 122, No. 11: 1487 (1975). Crossref
  115. E. Nyankson, B. Agyei-Tuffour, J. Asare, E. Annan, E. R. Rwenyagila, D. Konadu, A. Yaya, and D. D. Arhin, J. Engineer. Appl. Sci., 8, No. 10: 871 (2013).
  116. http://statnano.com/news/45676.
  117. https://www.forbes.com/sites/peterdiamandis/2014/09/02/solar-energy-revolution-a-massive-opportunity/#1ba9e79a6c90.
  118. https://www.canadiansolar.com/making-the-difference/surprises-in-solar.html.
  119. E. Serrano, G. Rus, and J. Garcia-Martinez, Renew. Sust. Energy Rev., 13, No. 9: 2373 (2009). Crossref
  120. Renewables 2017 Global Status Report (Paris: REN21: 2017); http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2017/06/17-8399_GSR_2017_Full_Report_0621_Opt.pdf.
  121. A. Konechenkov, Terminal, No. 26 (820): 12 (2016); http://uwea.com.ua/uploads/publications/TERMINAL_27.06.2016.pdf (in Russian).
  122. V. Sidorovich, Ehlektricheskaya Generatsiya v Germanii: Osnovnye Itogi 2016 [Power Generation in Germany — Assessment of 2016]; http://renen.ru/elektroenergetika-germanii-osnovnye-itogi-2016 (in Russian).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 2000–2020 «Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України»