胡志宇
上海交通大学电子信息与电气工程学院
教授
1 纳米催化热离子发电技术
1.1 纳米催化燃烧
室温纳米催化燃烧技术，是在纳米尺度的“燃烧”，通过化学催化作用，使燃料能够快速反应转换成热能。这种“燃烧”没有点火过程，燃烧只发生在纳米催化剂颗粒存在的区域，不存在纳米铂（Pt）颗粒的区域不会发生任何变化。纳米催化燃烧是一种效率高、环境友好的热源形式，是传统能源利用的有效途径，也是含碳废弃物（一氧化碳，挥发性有机物，碳氢化合物等）重要的治理技术。
“如果把传统的燃烧比作一整个足球场在起火，那么纳米尺度的燃烧就相当于在这足球场中间点燃一只桔子大小的煤球，这样看台上的人还会觉得灼热吗？”这正是燃烧的“棉花球”不烫手的原因（见图1）。这火种虽不烫手，却能产生和正常燃烧一样的能量。更重要的是，能够以纳米精度控制它燃烧的范围与大小。在红外显微镜的帮助下，我们能够观察到厚度仅仅为几个到几百个纳米两维燃烧图案（见图2），这使得其与微米纳米加工技术相结合制造Power-MEMS器件成为可能。在全球能源危机日益严重的今天，这“温柔火种”蕴含了巨大能量和应用前景。
图1 纳米催化燃烧——能够在手上燃烧的火
图2 利用微纳加工技术制备的两维催化燃烧图案
1.2 热离子发射
热离子发射（也称热电子发射）是指金属或者半导体表面的电子具有热运动的动能足以克服表面势垒而产生的电子发射现象。以最熟悉最常见的真空管为例，在真空中给一个电阻丝加热，达到一定温度后，电子就会从电阻丝中发射出来，实现电能到光能的转换。这也就是传统的热电子发射，即电子克服金属功函数发射到真空当中。然而，实现上述电子发射所需要的能量非常大，温度要求非常高。如果电子从一个固体发射到另一个固体当中，所需要的能量就为这两种固体材料的功函数的差值，这个能量通常是比较小的，实现的温度也就会比较低。利用固体间热离子发射的方法就能制备出实现化学能—电能转换的实用发电器件。
1.3 全固态室温催化纳米发电芯片
纳米催化反应诱发热离子发射发电技术是利用纳米催化技术和微纳加工技术等高新手段，使得催化化学反应充分进行，并使得反应产生的热能不通过热和机械运动的转换就可以在纳米尺度上实现热能到电能的直接转换，这是一种全新的纳能源技术。催化燃烧金属会产生大量的高动能电子（1 ～ 3 eV）。由于这些电子与金属原子在热力学上处于不平衡状态而被称为“热电子”。热电子的弛豫发生在飞秒到皮秒时间尺度内，其平均自由程大约在10 nm。
全固态室温催化纳米发电芯片（见图3），其发电单元的厚度仅为头发丝百分之一。由于发电单元的尺度与构造和目前半导体芯片非常类似，这意味着未来有可能把两者集成在同一个芯片上构成“电子细胞”，把微电子芯片从单一复杂系统转变为具有仿生构架的、由海量简单功能“电子细胞”构成的超级复杂系统，从而引发新一轮的微电子革命。
图3 全固态室温催化纳米发电芯片原理示意图[1]
2 应用意义与前景
宏观传统能源系统正面临很多原理性困难，以高温燃烧为基础的能源转换方式总体能有很大的提升空间。要从根本上解决未来能源问题就需要改变习惯性的线性思维模式。所提出的纳米催化热离子发电技术集合了先进的纳米科学技术和微纳机电系统技术，具有广阔的应用前景。纳米催化热离子发电技术可在室温下直接将燃料的化学能直接转化为电能，避免了传统高温中能量会有80%以上热能损失的不足。因此，此技术还有可能突破传统的宏观尺度上的能源系统面临的低效能、高污染、大体积、高密度等一系列难题，并且纳能源技术应该可以充分发挥尺度定律的优势，在传统能源系统不能正常工作的环境下（如低能强强度、低工作温度、小温差等）正常运行，大幅度提高能源的转化效率和规模化地从自然环境中捕获能量，从根本上解决能源问题。纳能源是一种全新的能源解决方案，并有可能全面突破传统能源系统的原理性制约。纳米尺度热机相比传统内燃机来说可有更高的能源密度和功率密度，具有广泛的应用前景。
【注释】
[1]Zhiyu Hu.Solid state transport-based thermoelectric converter[J].VSPTO:US 7696668.Published on 2010-04-13.
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