纳米技术在能源领域中的应用

Frontiers in Energy 2018年第1期：Special issue: Nanotechnology in Energy已经出版，敬请关注！

纳米材料具有特殊的传热和储热特性以及辐射吸收特性。在材料特征尺度足够小时，其热输运性质就主要取决于其尺度和形状。例如，石墨烯的面向热导率可达到块体石墨的10倍以上。带有纳米孔的石墨烯带，在长度方向施加正反向热流时的热导率显著不同。微纳尺度传热传质在新型热管理与热系统中起重要作用。应用纳米材料以及纳米复合材料，可以使热系统具有独特的热输运性质。在发电以及能量转换领域中的热电系统例如太阳能收集或废热回收系统中，应用具有微纳结构的材料，可以实现电性质与热性质的调控。

本专辑旨在从能源方面应用的多种纳米技术中介绍几点具体的纳米技术方面的研究，共15篇文章，涵盖了纳米材料与纳米复合材料的热输运理论及实验研究。

在非接触式微纳结构中，可以通过收集热光伏器件上高温热源发射的光子实现发电。由于p-n结中半导体的化学势取决于辐射能的平衡状况，在原理上，可以实现非接触的发电及制冷器件，即辐射热电式能量转换器。美国佐治亚理工学院张卓敏团队对最新的通过光子交换原理实现的近场辐射式发电及制冷器件进行了综述。在热光伏器件之外，热辐射式发电器件和电致发光制冷器件也已得到广泛研究。这些器件不包含运动部件，也不需要进行化学反应。当器件在近场辐射区运行，即分离距离小于特征波长时，其发电量或制冷量可以得到显著提高。文章介绍了近场热辐射、光子熵以及作为器件运行基础的半导体二极管非平衡效应的基本概念，进而指出了本领域研究的挑战与进一步取得进展的方向。

沸腾可以使传热得到显著增强，在核反应堆中，介质通过沸腾传热可以实现很大的热导率和热流。但由于膜状沸腾的存在，在某个转变温度以上，沸腾热流随壁面温度升高反而降低。通过设计微纳结构表面，提高膜状沸腾转变温度，膜状沸腾温度范围可以减小，在更高壁面温度下也可以实现通过沸腾增强传热。美国休斯顿大学Dong LIU团队以如何提高膜状沸腾转变温度为重点，对处于膜状沸腾温度区中的微纳结构表面悬浮液滴的研究进行了全面的综述。文章对不同微纳结构提高膜状沸腾转变温度的效应做了集中介绍，并阐述了其中的基本概念与理论。文章同时介绍了对结合微米与纳米结构优点设计的多尺度表面的沸腾传热强化研究。

同一样品的多种物性准确表征对于纳米材料在能源领域的应用十分重要。基于针尖的振动光谱是具有纳米级精度的表征纳米能源材料分子性质及热性质的新型多功能技术。美国犹他大学（University of Utah）Keunhan PARK团队等对表征纳米材料的原子力显微与振动光谱集成仪器的研究做了综述，介绍了其研究背景、多种测量模式、近期的研究进展，以及基于针尖的振动光谱领域未来研究方向的展望。清华大学张兴教授团队等使用综合T形法实验测量了两种成分的微米尺度钯基晶态合金丝对于同一样品的热导率、电导率与塞贝克系数，结果表明，与相同成分的钯基非晶合金相比，两种成分的晶态合金丝的热导率与电导率均有显著提高，而塞贝克系数均有降低。该实验结果为微纳钯基合金丝在能量转换领域的应用提供了参考。

本专辑期待为能源领域中的纳米技术研究提供有益的参考，启发更多的研究探索。

本期专辑的客座编辑是赵长颖教授（上海交通大学）、Zhuomin ZHANG（Georgia Institute of Technology）、和张兴教授（清华大学）

EDITORIAL

1.Special issue: Nanotechnology in energy
Changying ZHAO, Zhuomin ZHANG, Xing ZHANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0544-4
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0544-4

REVIEW ARTICLE

2. Near-field radiative thermoelectric energy converters: a review
Eric TERVO, Elham BAGHERISERESHKI, Zhuomin ZHANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-017-0517-z
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-017-0517-z

3. Leidenfrost drops on micro/nanostructured surfaces
Vishal TALARI, Prakhar BEHAR, Yi LU, Evan HARYADI, Dong LIU
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0541-7
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0541-7

4. Review: Tip-based vibrational spectroscopy for nanoscale analysis of emerging energy materials
Amun JARZEMBSKI, Cedric SHASKEY, Keunhan PARK
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0524-8
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0524-8

5. Thermal transport in organic/inorganic composites
Bin LIU, Lan DONG, Qing XI, Xiangfan XU, Jun ZHOU, Baowen LI
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0526-6
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0526-6

6. Thermal transport properties of monolayer phosphorene: a mini-review of theoretical studies
Guangzhao QIN, Ming HU
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0513-y
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0513-y

7. Nanostructural thermoelectric materials and their performance
Kai-Xuan CHEN, Min-Shan LI, Dong-Chuan MO, Shu-Shen LYU
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0543-5
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0543-5

RESEARCH ARTICLE

8. System-level Pareto frontiers for on-chip thermoelectric coolers
Sevket U. YURUKER, Michael C. FISH, Zhi YANG, Nicholas BALDASARO, Philip BARLETTA, Avram BAR-COHEN, Bao YANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0540-8
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0540-8

9. Experimental research on thermal transport properties of crystallized palladium-based alloys
Siyuan CHENG, Xuguo SHI, Weigang MA, Xing ZHANG, Guanglai LIU, Mingxiang PAN, Weihua WANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0531-9
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0531-9

10. Largely reduced cross-plane thermal conductivity of nanoporous In_0.1Ga_0.9N thin films directly grown by metal organic chemical vapor deposition
Dongchao XU, Quan WANG, Xuewang WU, Jie ZHU, Hongbo ZHAO, Bo XIAO, Xiaojia WANG, Xiaoliang WANG, Qing HAO
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0519-5
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0519-5

11. Impacts of cone-structured interface and aperiodicity on nanoscale thermal transport in Si/Ge superlattices
Pengfei JI, Yiming RONG, Yuwen ZHANG, Yong TANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0532-8
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0532-8

REVIEW ARTICLE

12. Thermal reffusivity: uncovering phonon behavior, structural defects, and domain size
Yangsu XIE, Bowen ZHU, Jing LIU, Zaoli XU, Xinwei WANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0520-z
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0520-z

RESEARCH ARTICLE

13. Design and analysis of Salisbury screens and Jaumann absorbers for solar radiation absorption
Xing FANG, C. Y. ZHAO, Hua BAO
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0542-6
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0542-6

14. Effect of light scattering on the performance of a direct absorption solar collector
Kwang Hyun WON, Bong Jae LEE
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0527-5
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0527-5

15.Realization of energy-saving glass using photonic crystals
Yen-Hsiang CHEN, Li-Hung LIAO, Yu-Bin CHEN
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0523-9
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0523-9

16. Plasmonic light trapping for enhanced light absorption in film-coupled ultrathin metamaterial thermophotovoltaic cells
Qing NI, Hassan ALSHEHRI, Yue YANG, Hong YE, Liping WANG
Full text:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-018-0522-x
http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0522-x