作者：纳米能源技术研究态势分析研究组
出版社：电子工业出版社
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纳米能源技术研究态势分析试读：
前言
纳米科技（Nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，其主要研究结构尺寸为1～100纳米的材料的性质和应用。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，是构建二维和三维复杂功能纳米体系的单元，在此基础上产生了许多纳米新器件和功能器件。许多科技新领域的突破迫切需要纳米科技的支撑，传统产业的技术提升也急需纳米科技的支持，纳米科技对许多领域都将产生极大的冲击和影响。目前，纳米科技的应用领域出现了几个热点：能源领域、纳米医学领域、电子信息领域、环境领域、加工领域等。
能源问题是当今世界关注的重要问题，优化能源供给方式一直是人类生存和发展的重要议题。改善传统能源供给模式、开发新的可再生能源才能满足全球日益增长的能源需求。作为一项跨学科的技术，纳米技术的突破也一直不断地带来能源领域的研究突破。纳米技术能够应用到能源资源、能源转化、能源存储等多个环节中。对能源资源来说，纳米技术可以提供必要的改善潜力；对能源转化来说，纳米技术可以提高转化效率；对能源存储来说，纳米技术可以改进电能储能装置。目前，纳米技术已经在能源资源、能源转化、能源存储、能源利用等多个环节开花结果，取得了众多重要的科学研究成果。
为继续保持我国在纳米科技国际竞争中的优势，并推动相关研究成果的转化应用，按照《国家中长期科技发展规划纲要（2006—2020年）》的部署，科技部会同有关部门编制了“纳米科技”重点专项实施方案，部署了纳米科技重点专项任务，总体目标是获得重大原始创新和重要应用成果，提高自主创新能力及研究成果的国际影响力，力争在若干优势领域，如纳米尺度超高分辨表征技术、新型纳米信息材料与器件、纳米能源与环境技术、纳米结构材料的工业化改性、新型纳米药物的研发与产业化等率先取得重大突破。其中，纳米能源领域是项目部署的一个重要关注点。纳米能源科技作为纳米科技领域的重点任务，是纳米技术发展和能源科技发展的重要推动力。
科技的创新需要具有科学战略眼光的超前决策部署、适当且稳定的引导和支持、长期的努力探索和积累，这样才能在发展中不断寻求新的突破。因此，围绕纳米能源领域前沿科学技术，开展对国际先进国家在纳米能源领域的科技政策、研究前沿、技术研究态势等情报信息的调研与分析，为决策管理层面和技术研发层面提供情报支撑，对我国实现纳米能源领域的重大原创性突破具有非常重要的意义。
本书是国家科技图书文献中心（NSTL）支持的研究成果。
本书选取典型的纳米能源技术领域，即纳米光伏技术、纳米电极技术、纳米发电机技术和资源小分子纳米催化剂技术领域进行技术研究态势分析；通过调研美国、欧盟、日本等发达国家及中国的纳米能源相关战略部署和项目规划，对纳米能源的全球科技政策进行分析；对纳米能源领域的重点研究前沿进行遴选和解读分析，以期呈现纳米能源领域的研究热点和趋势。纳米能源技术研究态势分析研究组2018年9月第1章 科技政策
纳米科技是21世纪国际最重要的前沿科技领域之一，对世界各国社会和经济的发展起到引领作用，其科技成果已经应用于信息、生物、医药、能源、环境、航空航天及国家安全等各个方面。世界科技强国纷纷将纳米科技作为国家重要的发展战略，制定了一系列科技发展政策。能源领域作为纳米科技的重要应用领域，各国战略规划都部署了相关的政策内容。1.1 美国纳米能源科技政策
美国非常重视纳米科技的发展，从20世纪90年代起就在国家层面对纳米技术的研发进行了一系列政策引导和支持。纳米技术于1991年纳入美国“国家22项关键技术”和“2005年的战略技术”。1996年，美国国家科学基金会开展了对全球范围内纳米科技的调研。在这项工作的基础上，1998年，美国成立了纳米技术机构间工作组（Interagency Working Group on Nanotechnology，IWGN），隶属于科技政策办公室国家科学技术委员会（NSTC），负责制定有关纳米技术的长期战略计划，以及分析纳米技术国际发展趋势和美国政府在该领域的科研投资。2000年1月，时任美国总统克林顿在加州理工学院宣布启动国家纳米技术计划（NNI），将其与“21世纪信息技术战略”并列为优先的重点研究开发领域。同年，纳米科学、工程和技术委员会（NSET）成立，接替IWGN行使相关职能。2000年10月，美国国家纳米技术计划（NNI）正式实施。该计划包括基础研究、重大挑战、研究中心和基础设施建设，以及伦理、法律和社会影响力的研究。2001年，美国成立了NNI对外联络部门国家纳米技术协调办公室（National Nanotechnology Coordination Office，NNCO），负责向NSET提供技术和行政支持，包括：准备计划书、预算和评估文件，开发和维护NNI的网站（www.nano.gov），代表NNI对外发声，提供技术的早期应用、创新成果和专业意见等。自美国国家纳米技术计划实施后，美国的纳米科技活动几乎都是以NNI为主体核心开展的。
作为支持纳米研究的政府机构协调机制，NNI本身并不直接资助具体的研究或项目，而是由每个参与机构在这一协调框架下投资具体的项目和计划，完成自己的使命和研究任务。NNI本身也发挥了加快纳米技术开发和部署、可持续地产生经济效益、提高人民生活质量、促进国家安全等作用。在这一框架下，主要发挥协调作用的是国家科学技术委员会（NSTC）的纳米科学、工程和技术委员会（NSET）［包括国防部（DOD）、能源部（DOE）、国土安全部（DHS）、司法部（DOJ）、交通部（DOT）、农业部（USDA）、商务部（DOC）、国务院（DOS）、财政部（DOTreas）、教育部（ED）、劳工部（DOL）及环境保护署（EPA）、美国国家卫生研究院（NIH）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家标准与技术研究所（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）、美国核管理委员会（US NRC）、国家职业安全与健康研究所（NIOSH）、消费品安全委员会（CPSC）、食品和药物管理局（FDA）、情报技术创新中心（ITIC）、国际贸易委员会（ITC）、美国专利商标局（USPTO）、管理和预算办公室（OMB）及科技政策办公室（OSTP）］。通过NSET和NNI的其他下属机构的运作来实现该计划的总体目标。
纳米能源领域是NNI关注的重要方向之一，其在2010年以前公布的3个纳米技术签名举措（Nanotechnoloyg Signature Initiatives，NSIs）为太阳能、可持续制造和下一代电子产品，2013年又补充了2个NSIs，分别为信息技术和传感器，其中不乏纳米能源技术相关的内容。下面简要梳理2014年以来NNI在纳米能源领域的研发支持举措和重点研究内容。
1.2014—2015年
2014年，NNI制定了4个目标：①推进世界级纳米技术研发项目；②促进新技术向商业产品和公益产品转化；③培养专业人才、维护培训资源、完善基础设施，促进纳米技术发展；④支持纳米技术负责任地开发。目标①指出，“进一步扩大研发计划和技术开发的内容，确保美国在纳米技术研发领域的领先地位，在生物学、化学、工程、材料科学和物理学等学科的交叉领域着力，培育对航天、农业、能源、环境等众多领域产生重大影响的潜力。”
在这些目标的指引下，美国商务部经济发展局（EDA）支持纳米技术相关领域的创新，重点关注增材制造、能源、绿色增长等方向。美国国家标准与技术研究所优先协调纳米技术、纳米制造和能源，以及纳米材料在环境、健康和安全等众多领域的技术研究。
美国能源部认为，纳米技术在解决国家面临的能源和气候变化挑战方面发挥着极其重要的作用。这个广泛和多样化的研发领域可能会对太阳能收集和转换、能源储存、替代燃料和能源效率的未来技术产生巨大的影响。能源部的投资内容包括对基本现象和过程的研究、工程纳米材料（ENM）、纳米技术设备和主要研究设施。
美国国务院积极参与NNI，以推动和支持美国外交政策目标的多边和双边科学活动，保护国家安全利益，促进经济利益和环境保护。纳米技术在解决与环境、能源和卫生相关的全球挑战方面具有巨大的潜力。
美国交通部创新材料和涂料的开发，以提高公路和运输基础设施部件的寿命、性能和弹性。这些技术的发展可能使传统基础设施材料具备多功能特性，如具备产生或传输能量的能力。
美国情报部门内部有涉及纳米技术研发的机构，如国家侦察办公室（NRO）的一项研发计划重点关注纳米电子学、纳米材料及使用纳米技术的能源发电和存储。
美国国家航空航天局的3个主要研究动力来源于减轻车辆重量，提高车辆性能，提高安全性、耐久性和可靠性。它所关注的与纳米技术相关的研究方向主要是：工程材料和结构，能源发电、存储和分配，电子传感器及推进设备。
美国农业部国家食品农业研究所（NIFA）将全球粮食安全、气候变化、可持续生物能源、儿童肥胖问题和食品安全列为优先领域。纳米技术在植物生产、可再生生物能源和生物制品等相关领域显示出了极大的潜力。NIFA纳米技术计划支持农业生物纳米材料和增值产品，以在提高国民经济水平的同时寻求提供新能源的创新技术。
在2015财年的研发领域中，NSIs将基于纳米技术的太阳能收集和存储研究列为第一个领域，认为需要增强对纳米级能量转换和存储现象的理解；改善与太阳能相关的电子性质的纳米尺度表征；利用纳米尺度上出现的独特物理现象克服当前的材料性能障碍，并大大改善太阳能的收集和转换能源。其主要推动以下3个领域的发展：①改善光伏太阳能发电；②改善太阳能−热能发电和转换；③改善太阳能与燃料的转换。参与此项目合作的机构包括美国商务部、国防部、能源部、情报部门、国家航空航天局、国家科学基金会和农业部。
表1.1列出了2013—2015年NNI在纳米技术领域对美国联邦机构的投资预算，包括NSIs的投资。2013年，NNI实际投资15.5亿美元，2014年的估值和2015年的预算略有下降。2015年，对NIH、NSF、DOE的投资最多，分别占总额的28.7%、26.8%、22.3%。表1.1 2013—2015年NNI投资预算
2.2016—2017年
在新的阶段，NNI的4个基本目标没有改变，在关注和支持基础研究的基础上，进一步推动纳米技术的应用，构建纳米技术体系，将实验发现转向市场。2015年，对已有的5个NSIs审查评估发现，纳米技术和太阳能技术领域已经形成了强大且可持续的研发体系，不再需要NSI给予额外的重点支持，“基于纳米技术的太阳能捕获和转化”任务已经完成。但在众多机构的计划和举措中，仍可以发现纳米能源研究的身影。例如，国家标准与技术研究所优先实施纳米材料、纳米制造和能源，以及纳米技术在环境、健康和安全性研究等领域的协调和部署。
能源部的NNI投资计划大部分由科学办公室（SC）制定，重点关注基本现象和过程的研究，包括：用于下一代电池和燃料电池的电子及离子运输纳米结构材料；用于未来能源技术的纳米尺度量子材料；对纳米尺度缺陷的基本了解，并在此基础上设计具有优异机械性能和耐辐射性的材料；阐明纳米结构材料和化学系统中光吸收、电荷分离及电荷传输的基本步骤，提高太阳能转换的效率；研究用作分子电催化剂的原子级精密材料，有效将电能转化为化学能；提高分子和纳米尺度化学及地球化学过程模拟的计算能力。
交通部联邦公路管理局（FHWA）看到了复杂异质材料的纳米尺度表征新方法的应用前景，其可以支持多尺度建模，加深对材料全生命周期中相互作用的了解，从而减少材料的用量及建筑过程和维护中所需要的能源。
表1.2列出了2016—2017年NNI在纳米技术领域对美国联邦机构的投资预算。2015年，NNI实际投资14.9亿美元，2016年的估值略有下降，2017年的预算较2016年有所回升，但未达到2015年的水平。2017年，对NSF、NIH、DOE的投资最多，分别占总额的28.7%、26.5%和25.1%。表1.2 2016—2017年NNI投资预算注：*基于2016年计划水平，可能随着运营计划的结束而变化。**DOE的资助包括科学办公室、能源效率和可再生能源办公室（DOE-EERE）、化石能源办公室和高级研究计划局（ARPA-E）的综合预算。1.2 欧盟纳米能源科技政策
欧盟及其成员国十分重视纳米科技，欧盟在第七框架计划（FP7）和“地平线2020”计划下重点实施了若干与纳米技术相关的研究计划和重点项目，“地平线2020”计划明确提出纳米科技是欧盟保持工业技术领军地位的支柱之一。除了欧盟的整体计划，欧盟主要成员国也纷纷制定了本国的纳米研究计划和相关战略。例如，挪威发布了“国家纳米科研计划”，德国发布了“纳米技术行动计划2020”，英国发布了《促进增长的创新与研究战略》，其中，纳米能源技术是欧盟和各成员国部署的研发重点。
欧盟于2013年1月启动了石墨烯旗舰研究项目，该项目运行时间为10年，总投资为10亿欧元。石墨烯旗舰研究项目分为2个阶段：先在欧盟第七框架计划下运行30个月，然后在“地平线2020”计划下运行，资助总额预计超过4亿欧元。2014年2月初，石墨烯旗舰研究项目发布了石墨烯各应用领域的科技路线图，主攻方向涉及13个重点领域，包括标准化、生物传感器与生物界面、薄膜技术、面向能源应用的催化剂、与半导体器件集成、新的层状材料和异质结构、硅光子学集成、石墨烯和相关二维晶体及杂化系统原型研究等。
2016年7月，欧盟发布了“2016—2017年地平线2020纳米技术和先进材料领域重点资助项目计划”，与纳米能源相关的重点资助如下。（1）先进材料和纳米技术在高附加值产业的应用，研发能源关键原材料，以替代用于永磁体的重稀土元素、用于储能的关键原材料、作为催化剂用于发电的关键原材料和在光伏电池中使用的关键原材料。（2）能源应用领域的尖端材料和纳米技术，具体包括高效利用太阳能的尖端材料、将存储技术集成至电网中的尖端材料、“电力−化学”技术中具备成本效益的材料、用于优化二氧化碳捕获技术的高性能材料。
挪威政府的科研白皮书中将纳米科学列为该国重点研发的优先领域之一。2012年，挪威研究理事会宣布开始实施面向未来十年的“国家纳米科研计划”（NANO 2021 Programme），即2012—2021年的纳米科学、纳米技术、微技术和先进材料的国家科研规划，投资额度为每年9300万挪威克朗，该计划为纳米领域的科研课题、重点和优先发展方向制定了框架性的国家战略。挪威将在已完成纳米技术和新材料计划“NANOMAT”的基础上，集中科研力量应对人类在能源、环境、食品和海洋领域不断消耗自然资源的社会挑战。
德国自2006年开始每五年制定一次“纳米行动计划”，2016年9月开始实施第三个计划——“纳米技术行动计划2020”。该计划确定了2016—2020年联邦政府相关部门在纳米技术领域的合作，将纳米技术瞄准德国新高技术战略的优先任务领域，目的是进一步充分利用纳米技术的机遇和潜力，利用研究成果的有效转化提高德国企业的竞争力，通过对纳米材料的安全性研究保证纳米技术对可持续发展的贡献。未来联邦政府的纳米技术研究将致力于解决德国新高技术战略中确立的6个优先任务，具体包括纳米技术在数字经济与社会、可持续经济与能源、创新工作环境、健康、智能交通和公民安全领域的应用。其中，在可持续经济与能源领域，重点开发纳米技术在能源、建筑、农业和食品领域的应用，并通过效益−风险评估，研究纳米材料的使用对人类和环境可能造成的影响。在智能交通领域，重点提高纳米技术工艺和纳米材料在电池技术、轻型结构、燃料电池开发及氢存储等领域的使用。
英国通过《促进增长的创新与研究战略》重点发展纳米技术等四大关键技术，该战略由英国商业、创新与技能部（Department for Business Innovation & Skills，BIS）于2011年12月发布。英国在复合材料和纳米材料方面有较强的实力。英国研究理事会（UKRC）在纳米技术领域的研发投入已超过2亿英镑，技术战略委员会也投入了3000万英镑用于纳米技术应用领域的研究。1.3 日本纳米能源科技政策
日本是世界上最早开始纳米技术基础研究和应用研究的国家之一，自1996年起至今发布的五期科学技术基本计划（Science and Technology Basic Plan）都对纳米技术进行了规划布局。多年来对纳米技术的巨大投入使日本成为这一领域的主要国家之一，纳米技术成为其重点技术。
1.战略规划
日本内阁办公室、文部科学省（Ministry of Education,Culture,Sports,Science and Technology，MEXT）和经济产业省（Ministry of Economy,Trade and Industry，METI）都在纳米技术领域设置了专门的部门，并针对未来技术发展方向制定了战略技术路线图。
2000年以后，全球主要国家开展了有关纳米技术的大规模国家投资战略，而自20世纪80年代以来，日本科学振兴机构（Japan Science and Technology Agency，JST）和通商产业省（Ministry of International Trade and Industry，MITI）就已经在各个层面执行了纳米技术国家战略，例如，Hayashi超微粒子项目（Hayashi Ultrafine Particles Project，1981—1986年）、日本研究开发协会（Japan Research Development Corporation，JRDC，即现在的JST）推出的先进技术探索研究项目（Exploratory Research for Advanced Technology，ERATO），后来成为JST战略基础研究计划（JST Strategic Basic Research Program），以及MITI下属机构NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）发起的原子技术项目（Atom Technology Project，1992—2002年，260亿日元），这些项目在日本第一期科学技术基本计划（1996年）之前就已经开始。
正是因为有前期的战略布局，在美国NNI推出纳米技术战略的同时，日本得以较为顺利地开展纳米技术和材料领域的国家计划。日本内阁成立科技政策委员会（Council for Science and Technology Policy，CSTP）后，纳米技术和材料领域被列为第三期科学技术基本计划优先推广的4个领域之一，并在生命科学、信息通信和环境方面优先考虑了10年的资源配置，而纳米技术和材料领域将有望成为连接生命科学、信息技术和环境等其他领域的一体化整合领域。
2001年，日本政府启动了第二期科学技术基本计划，纳米技术和材料被列为八大国家重要问题之一。2006年，政府制定了第三期科学技术基本计划，纳米技术和材料被列为4个优先研究领域之一，并确定了5个纳米技术和材料领域的重要研发问题：纳米电子学、纳米生物技术和生物材料、材料、促进纳米技术与材料领域的基础研究，以及纳米科学与材料科学，并对这些领域进行相应推广。主要措施和成果如下：（1）升级基础设施，如X射线自由电子激光（指定为国家关键技术）和纳米技术网络。（2）加强基于筑波创新园区（Tsukuba Innovation Arena，TIA-nano）的产业界−学术界−政府合作。（3）跨部门项目，MEXT“元素战略计划”和METI“稀土金属替代材料开发项目”稳步推进。
在此期间，日本内阁决定支持具有一定潜力的地区，并形成了“世界级集群”（World-class Clusters），这些集群围绕与公司、中小企业及创业企业等紧密联系的高校和科研机构建立。知名的纳米技术集群有京都、长野、滨松、爱知/名古屋等纳米技术集群。
2011年，日本政府推出了第四期科学技术基本计划，其由“自上而下”的政策转变为“自下而上”政策，即由原来的政策引导优先科学技术领域变成实现社会期望问题解决的政策。第四期科学技术基本计划重点发展绿色和生命科学创新，纳米技术和材料并不是独立的领域，而是努力实现这些创新的重要途径。政府对纳米技术和材料的投资已经下降，而私人部门开始扮演重要角色，将这些技术商业化并进一步推广到市场。日本政府为发展纳米技术建立了平台，这些平台包括由该领域的研发机构、高校和公司组成的纳米技术集群，其中的许多机构同时也形成了连接日本知识和专业设备的纳米技术平台，该平台由25所大学和研究机构组成，通过向国内外企业寻求设备和高素质的人员来开展研发工作。
2016年，日本政府推出目前的第五期科学技术基本计划，纳米技术和材料仍是七大战略布局的领域之一，将对能够带来差异化系统的技术及新型功能材料进行研发，同时通过科学发现对材料的安全性进行研究。
从CSTI、MEXT、METI、JST、NEDO等机构在纳米技术领域的战略布局及项目资助来看，日本纳米技术领域的优先方向主要包括电池、电力电子、催化剂（化学合成催化剂、人造光合催化剂、光催化剂、燃料电池催化剂等）、结构材料、传感器（用于保健、环境、基础设施等）及关键金属和元素的替代材料。其中，电池是纳米能源领域的重要方向之一，通过NEDO的新一代电池科学研发计划（R&D Initiative for Scientific Innovation of New Generation Batteries，NEDO-RISINGB），在京都大学设立了一个研究中心，并开展了一个旨在开发面向基础研究和实际应用的新型电池的项目。该项目由产业界、学术界及政府共同参与，参与者共同使用SPring-8和J-PARC等大型前沿研究设施。该计划通过机构合作推动下一代电池的基础研究和创新。同时，在JST的ALCASPRING项目的支持下，日本国立材料研究所（National Institute for Materials Science，NIMS）成立了联合研究中心，并于2013年开始实施大规模的研发项目，大学和国家机构的参与人员分为四组，每组有一个主要目标。这些举措实施的规模超过了其他国家，因为日本绝大多数的相关研发人员都参与了这些项目。
2.政府资助及创新支持
根据Cientifica的统计，日本每年对纳米技术的研发投入变化不大。在第一、二、三期科学技术基本计划中，日本对纳米技术和材料的投入分别是17.6万亿日元、21.1万亿日元和21.0万亿日元。美国、中国、俄罗斯的政府资助力度都陆续超过甚至远超了日本，然而日本的新兴技术开发指数（Emtech Exploitation Index，EEI，指某个国家开发新兴技术的能力）却依然排名前列（见表1.3）。表1.3 主要国家/地区的新兴技术开发指数
日本对纳米技术的资助主要来源于日本经济产业省及文部科学省，相关资助项目主要有：
· RIKEN——前沿材料研究计划（Frontier Materials Research Program）；
· ERATO——纳米结构研究计划（Nanostructure Research Program）；
· JRCAT——纳米技术研究计划（Nanotechnology Research Program）；
· ISTF——前沿碳技术计划（Frontier Carbon Technology Program）。
除了资金支持，日本产业技术综合研究所（AIST）、日本国立材料研究所（NIMS）、筑波大学及高能加速器研究组织（KEK）正联合在筑波创新园区建立纳米技术研究中心，该研究中心将与日本商业联合会（Japan Business Federation）有合作关系，目的是促进日本作为尖端产品生产商的发展。纳米技术研究中心主要有六大核心研究领域：纳米电子学、电力电子学、N-MEMS、绿色纳米技术、碳纳米管及纳米材料的安全评估，均是直接通向商业化的领域。在研发过程中，科研活动将得到来自产业界、学术界及政府的资金和人力资源支持。同时，纳米技术研究中心也在核心基础设施方面进行投入，其拥有共享纳米技术研发的尖端设备和促进人力资源发展的系统。
MEXT的纳米技术平台项目于2012年开始实施，为期十年。其目标是通过在某些领域集中昂贵的尖端设备并实现共享来提高公共资助研发投入的效率，同时通过鼓励交流知识和思想，促进不同领域研究人员的合作，并为创造新技术和行业提供机会。纳米技术平台为来自产业界、学术界、政府的及在三个技术领域的材料和器件方面寻求突破的用户提供机会。三个技术领域分别是高级表征纳米技术平台、纳米加工平台及分子与材料合成平台。NIMS和JST被指定为中央机构，以改善整个平台所提供的支持并增加用户数量，它们以协调员的角色连接了平台和潜在用户，包括日本的年轻研究人员和当地的中小企业。
3.科研及产业现状
目前，全球对纳米能源的诸多领域，如太阳能电池、人造光合作用、燃料电池、热电转换、蓄电池器件、功率半导体器件和绿色工艺的催化剂等都有较大的兴趣，因为这些领域与可再生能源的利用、能源的有效存储和转换，以及减少二氧化碳排放密切相关。上述许多领域的基础研究也日益活跃，尤其是对蓄电池器件的研究。在太阳能电池、燃料电池和蓄电池器件领域，日本从基础研究到商业化表现都较为突出。但是，在太阳能电池和绿色工艺的催化剂领域，由于中国和韩国的竞争，日本的商业化进程出现停滞不前或衰退的现象。
日本企业有很多产品在全球都占有较大的市场份额，如半导体材料、用于液晶显示器的材料、用于锂离子电池的材料、碳纤维等，但由于与中国和韩国的竞争日益激烈，日本企业的市场份额大幅度下滑，尤其是手机和半导体设备相关的产品（如用于锂离子电池的材料）。
1）锂离子电池
目前，汽车正在进入电动和混合动力的时代，因此要求轻巧、紧凑、高容量的电池，以使用户能够在夜间存储电力，而在白天使用存储的电力；个人电脑和智能手机等移动设备对紧凑型大容量电池的需求一直存在。锂离子电池恰恰能满足这种对电池的需求，其主要组成是阴极活性材料、阳极活性材料、电解质和分离器，日本在这些材料方面具有很大的全球市场份额。到2020年，全球电池市场的规模预计将达到20万亿日元，锂离子电池将是充电电池市场的重要部分。2000年，日本企业以93%的全球市场份额占据主导地位，但由于韩国和中国制造商的出现及其他因素的影响，2014年，日本的全球市场份额下降至22%。虽然日本目前在阳极活性材料、阴极活性材料和分离器等电池中所用材料的全球市场份额仍然很高，但由于其可充电电池的全球市场份额下降，相关零部件的全球市场份额也将下降。
2）太阳能电池及燃料电池
在太阳能电池领域，由于全球范围内的价格竞争，日本相当数量的原材料、晶圆厂、太阳能电池及相关设备的制造商不得不退出市场或停滞不前。同时，由于太阳能发电上网电价补贴系统（Feed-In Tariff，FIT）的使用，日本各地大型太阳能发电厂的数量及房屋的太阳能电池组件数量都迅速增加。光伏系统的集成由于可以大大减少所需的太阳能电池的数量而逐渐引起人们的关注，成为低成本发电的新技术，越来越多的公司进入市场。预计在太阳辐射充足的地区，太阳能电池的需求将会增加。
家用燃料电池于2009年被引入市场，2011年，全球燃料电池市场规模约为700亿日元，而随着燃料电池汽车于2015年被引入市场，燃料电池市场有望进一步扩大，预计2025年将超过5万亿日元。1.4 中国纳米能源科技政策
中国一直高度重视纳米科技的发展，在2000年成立了国家纳米科技指导协调委员会后，又相继成立了国家纳米科学中心、国家纳米技术及应用国家工程研究中心，开展纳米科学及纳米技术的研发和工程化应用。国家中长期发展规划中也部署了纳米科技研究计划，这些措施极大地推动了中国纳米科技的发展。纳米能源是纳米科技体系中重要组成部分，国家每次重要的纳米技术发展规划中都包含纳米能源相关的内容，重要的规划如下。
1.国家重点研发计划“纳米科技”重点专项之能源纳米材料与技术
国家重点研发计划是针对事关国计民生的重大社会公益性研究，事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的重大科学技术问题，以及突破国民经济和社会发展主要领域的技术瓶颈问题而设立的国家级研发计划。“纳米科技”重点专项是首批国家重点研发计划部署的专项之一，总体目标是获得重大原始创新和重要应用成果，提高自主创新能力及研究成果的国际影响力，力争在若干优势领域，如纳米尺度超高分辨表征技术、新型纳米信息材料与器件、纳米能源与环境技术、纳米结构材料的工业化改性、新型纳米药物的研发与产业化等率先取得重大突破。
2016年，“纳米科技”重点专项部署了七个方面的研究任务：①纳米科学重大基础问题；②新型纳米制备与加工技术；③纳米表征与标准；④纳米生物医药；⑤纳米信息材料与器件；⑥能源纳米材料与技术；⑦环境纳米材料与技术。其中，能源纳米材料与技术方向的主要内容如下。（1）高性能能量转换纳米材料与技术：研究内容包括无机、有机及无机/有机杂化高性能太阳能电池中的多功能纳米复合材料制备、纳米结构表面/界面调控和高性能器件制造技术。考核指标包括发展活性层纳米结构及其稳定性的控制方法、提出新型的薄膜太阳能电池结构和机理、提高基于纳米材料和技术的高效新型电池的效率和稳定性、实验室电池效率达15%或同类电池国际先进水平、小型组件效率达到实验室电池效率的80%、封装无机电池稳定性达20年以上、有机及有机/无机杂化电池稳定性达1年以上或国际先进水平、典型器件实现应用示范等。（2）纳米能量存储材料及器件：研究内容包括下一代锂、铝等储能电池的纳米电极材料结构的设计和充放电过程中的电子结构、晶体结构、界面反应的演化规律。考核指标包括研制综合性能优异的纳米正负极材料、固体电解质材料、具有纳米尺度界面修饰功能的添加剂材料及纳米复合隔膜材料。新型纳米正负极材料的锂电池储能密度大于400Wh/kg，循环稳定性大于500次。（3）纳米能源器件及自驱动系统：研究内容包括基于摩擦及压电效应的纳米发电机的能量转换机制、材料组成、微观表面结构等对发电效率的影响、纳米发电机的电能存储及能源管理、系统集成与封装；自驱动传感、空气净化等领域的应用示范。考核指标包括阐明纳米发电机的能量转换机制，研发适应不同应用需求的纳米发电材料体系，建立纳米发电机的评价指标体系和行业技术评测规范，纳米发电2机的能量转换效率≥70%、峰值功率密度≥550W/m，纳米发电−储能一体化能源包的能量存储效率≥60%，实现主动感知外界信号的自供电系统原型器件在传感、空气净化等领域的示范应用，实现小型能源和大型摩擦纳米发电机阵列的能源产业示范。（4）资源小分子催化转化的纳米特性和高效催化剂研制：研究内容包括纳米结构及表界面效应等对表面催化反应的调控规律、资源小分子化学键高效重组的催化活性中心精准构筑、创制多功能纳米催化剂。考核指标包括突破金属复合催化剂、氧化物催化剂和纳米孔结构催化剂的可控制备的基础理论和应用技术，并实现规模制备；发展3～5个基于原料多样化的化工资源高效利用新催化过程，显著提高目的产品的精细化率，突破我国化石能源高效转化的瓶颈科学和技术问题，创新催化过程，创制新催化剂，实现我国基于天然气和煤转化生产高值化学品和清洁能源的重要催化过程的水耗和CO2排放降低20%以上，并与企业合作进行工业化试验，显著提高我国能源和化工企业的绿色化水平。
围绕以上主要任务，2016年“纳米科技”重点专项共立项支持了43个研究项目（其中青年科学家项目10项）。在这些项目中，属于“能源纳米材料与技术”研究任务的项目有10项，是已立项研究任务中项目数量最多的研究任务。其中，高性能能量转换纳米材料与技术方向的项目有2项，纳米能量存储材料及器件方向的项目有3项，纳米能源器件及自驱动系统方向的项目有1项，资源小分子催化转化的纳米特性和高效催化剂研制方向的项目有4项（见表1.4）。表1.4 “能源纳米材料与技术”领域2016年公示的立项项目
根据专项实施方案和“十三五”期间的有关部署，2017年，“纳米科技”重点专项围绕新型纳米制备与加工技术、纳米表征与标准、纳米生物医药、纳米信息材料与器件、能源纳米材料与技术、环境纳米材料与技术等方面继续部署项目，其中，能源纳米材料与技术方向部署的主要研究任务如下。（1）化学能源转换的关键纳米材料与器件：研究内容包括基于碳基催化剂的化学能转换为电能的纳米功能材料设计、宏量可控制备、表界面可控功能化及器件。考核指标包括阐明高效碳基纳米催化材料的转换过程、反应动力学、转换速率与稳定性演变规律，以碳基纳米2催化剂组装的化学能源转换器件的功率密度≥1W/cm，耐久性≥1000小时，能量转换效率≥50%。（2）高效有机纳米薄膜光伏材料和大面积器件制备：研究内容包括有机太阳能电池中的关键材料制备、功能层中的纳米结构表界面特性调控、高性能有机纳米薄膜太阳能电池制造技术。考核指标包括发展新型高效率有机光伏材料体系、建立电池多功能层纳米结构与光电特性的控制方法、系统阐明有机纳米薄膜太阳能电池的工作机理、提高新型有机纳米薄膜太阳能电池的光伏效率和稳定性、面积大于224mm的实验室电池效率达到15%或世界最高水平、面积大于25cm的小型组件效率达到实验室电池效率的80%、封装电池稳定性达3年以上、典型器件实现应用示范。（3）新型化学能源存储的纳米材料及新体系：研究内容包括高能量密度化学能源存储器件的纳米电极材料的构筑，材料结构与电池性能之间的本征关系，实时监测与原位表征技术，能量密度、循环寿命、安全性协同提升策略。考核指标包括提升新型储能电池的综合性能，发展具有应用价值的高比容量新型纳米电极材料，新型电池能量密度≥500Wh/kg，循环寿命≥300次。（4）高附加值精细化工产品的多相纳米催化材料与工程化：研究内容包括纳米催化活性中心结构与碳−氧键高效构建与重组之间的构效关系和反应机理，纳米催化剂规模化制备技术。考核指标包括突破碳−氧键高效构建与重组制高附加值精细化工产品的多相纳米催化剂的基础理论和技术瓶颈，研发纳米催化剂规模化制备共性技术及多相催化绿色生产工艺，形成基础研究、技术开发、生产示范的全链条技术解决方案；创制5～8种新多相纳米催化剂，建立4～6种国内紧缺、附加值高的精细化工产品，如乙二醇、甲基丙烯酸甲酯、二羟基丙酮等的工业示范装置。（5）仿生能量转换的纳米材料及器件：研究内容包括仿生纳米孔道结构的能量转换机制，纳米孔道的结构、组成等对能源转换效率的影响，一体化能源转换器件的集成与封装，人工光合作用及盐差发电等领域的应用示范。考核指标包括揭示生物离子通道高效能量转换机制，研发适应不同应用需求的纳米结构基元，如纳米级光催化剂及2纳米孔道结构膜材料（功率密度≥5W/m），纳米孔道膜材料能量转换体系及器件的表征新方法，表征能量转换过程中离子传输的动态过程，研发纳米孔道结构一体化的能量转换器件；小型人工光合作用器件和大型盐差发电的产业示范。
在2017年立项的项目中，属于“能源纳米材料与技术”研究任务的项目有9项（见表1.5）。其中，属于化学能源转换的关键纳米材料与器件方向的项目有3项，属于高效有机纳米薄膜光伏材料和大面积器件制备方向的项目有3项，属于新型化学能源存储的纳米材料及新体系方向的项目有1项，属于高附加值精细化工产品的多相纳米催化材料与工程化方向的项目有1项，属于仿生能量转换的纳米材料及器件方向的项目有1项。表1.5 “能源纳米材料与技术”领域2017年公示的立项项目续表
2018年，“纳米科技”重点专项持续对能源和纳米科技领域进行支持，主要部署了“高节能透明柔性有机/无机纳米复合光功能膜及宏量制备技术”的研究任务，主要研究内容包括有机/无机纳米复合光功能膜材料体系的光学设计与分子模拟设计，透明无机纳米颗粒分散体的制备，纳米无机颗粒与高分子链的相互作用、分散机理及其对结晶动力学的影响规律，无机纳米颗粒与以聚酰亚胺和聚酯为代表的有机高分子复合加工成透明膜的新方法及宏量制备新技术，创制出若干高节能透明柔性有机/无机纳米复合光功能膜。主要考核指标包括揭示透明有机/无机纳米复合光功能膜的结构与光学性能、水汽阻隔性能等的构效关系，研制出3～4种纳米节能膜，建成2～3条示范生62产线，其中，柔性电子器件用聚酰亚胺复合膜的产能≥1.2×10m/年，100μm膜的透光率≥88%、Tg≥260℃、水汽透过率≤1×−527210g·m/24h；氧化钒系温控智能贴膜的产能≥1×10m/年，分散后无机颗粒最大尺寸≤50nm，可见光透过率为15%～50%且可调，红外线调节率≥30%，调节转换温度范围为40±10℃，耐候性≥10年；实现在柔性OLED显示、柔性太阳能器件在建筑智能节能玻璃上的示范应用，平均节能率提高20%。
2.《“十三五”国家科技创新规划》之能源和纳米《“十三五”国家科技创新规划》是国家在科技创新领域的重点专项规划，是我国迈进创新型国家行列的行动指南，其在确立科技创新发展新蓝图的总体部署如下：加快实施国家科技重大专项，启动“科技创新2030——重大项目”；构建具有国际竞争力的产业技术体系，加强能源等领域一体化等内容。“科技创新2030——重大项目”与国家科技重大专项形成远近结合、梯次接续的系统布局。在能源领域则形成了涵盖能源多元供给、高效清洁利用和前沿技术突破的整体布局。《“十三五”国家科技创新规划》除了高度关注能源领域的发展，也关注新材料技术的发展，部署围绕重点基础产业、战略性新兴产业和国防建设对新材料的重大需求，加快新材料技术突破和应用，重点是纳米材料等技术的突破和应用，包括研发纳米能源材料与器件等，突破纳米材料宏量制备及器件加工的关键技术与标准，加强示范应用。
3.“十三五”规划纲要——100个大项目之能源和纳米“十三五”规划纲要是国家战略意图的反映，“十三五”规划纲要草案中包含未来五年中国计划实施的100个重大工程及项目。它们涉及科技、装备制造、农业、环保、交通、能源、人才、文化和教育等领域，将对中国经济、社会和民生等各方面产生深远影响，也会给国际社会带来重大机遇。其中涉及能源和纳米的项目如下：（1）发展储能与分布式能源。（2）大力发展形状记忆合金、自修复材料等智能材料，石墨烯、超材料等纳米功能材料等高端材料。（3）全国新能源汽车累计产销量达到500万辆。
4.《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》之能源和纳米
战略性新兴产业代表新一轮科技革命和产业变革的方向，是培育发展新动能、获取未来竞争新优势的关键领域。“十三五”时期，将进一步发展壮大新材料、新能源汽车、新能源等战略性新兴产业，推动更广领域新技术、新产品、新业态、新模式蓬勃发展，为全面建成小康社会提供有力支撑。到2020年，新能源等领域新产品和新服务的可及性大幅度提升。
除了高度重视能源行业的发展，在材料和纳米方面，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出要促进高端装备与新材料产业突破发展，引领中国制造新跨越，顺应制造业智能化、绿色化、服务化、国际化发展趋势，围绕“智能制造发展规划”实施，加快突破关键技术与核心部件，推进重大装备与系统的工程应用和产业化，促进产业链协调发展，塑造中国制造新形象，带动制造业水平全面提升，力争到2020年，高端装备与新材料产业产值规模超过12万亿元；提高新材料基础支撑能力，前瞻布局前沿新材料研发，突破石墨烯产业化应用技术，拓展纳米材料在新能源等领域应用范围，形成一批具有广泛带动性的创新成果。
5.《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》
国家发展改革委、国家能源局于2016年6月1日联合印发《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，提出了我国能源技术革命的总体目标是，到2020年，能源自主创新能力大幅度提升，一批关键技术取得重大突破，能源技术装备、关键部件及材料对外依存度显著降低，我国能源产业国际竞争力明显提升，能源技术创新体系初步形成；到2030年，建成与国情相适应的完善的能源技术创新体系，能源自主创新能力全面提升，能源技术水平整体达到国际先进水平，支撑我国能源产业与生态环境协调可持续发展，进入世界能源技术强国行列。
在全球新一轮能源革命呈现“低碳能源规模化，传统能源清洁化，能源供应多元化，终端用能高效化，能源系统智能化，技术变革全面深化”整体趋势的背景下，新型高能规模化储能成为能源领域的重大科学问题和前沿技术方向，其中，重大科学问题是理解充放电和物质转移/传输的物理化学过程，包括在充放电循环中电极和界面上发生的改变，认知与合理设计电化学界面/中间相，设计开发多功能大容量储能纳米材料等。电化学储能技术的前沿技术方向在于开发高安全性、长寿命、低成本的锂离子电池及新型高能化学电源体系，集成系统认知、改进封装设计及应用新材料将有助于推动技术发展；电磁储能技术研究重点集中在高温超导储能、超级电容器储能等方面，实现超导储能系统、超级电容器储能装置系统的集成应用。
6.《“十三五”材料领域科技创新专项规划》之能源与纳米材料《“十三五”材料领域科技创新专项规划》关注纳米材料与器件的研发，纳米能源材料与器件是重要的关注领域，具体包括：纳米结构控制与组装技术，有机/无机高效复合技术，高选择性、高转化率纳米催化材料，高储能密度介电、热电、光伏、二次电池材料，低成本燃料电池催化剂，轻质高容量储氢储甲烷材料，柔性可编织超级电容器电极材料等纳米材料与器件技术，目标在于突破纳米材料宏量制备及器件加工的关键技术与标准，加强示范应用。
总体来看，纳米能源技术作为纳米和能源两个领域的交叉领域,是我国重点布局的技术研发方向，各战略规划不仅关注科学问题，如能量转化、能量存储、催化等能源问题的纳米尺度实现方法的研究，也关注技术的研发，如纳米器件的制备及转化效率、电池效率、节能率等指标的实现方法，同时关注规模化的示范应用，如产能、产值等产业指标要求。第2章 研究前沿
科学研究的世界呈现蔓延生长、不断演化的景象。科研管理者和政策制定者需要掌握科研的进展和动态，以有限的资源来支持和推动科学进步，科研工作者需要洞察科研动向，跟踪新兴专业领域，梳理研究方向，启发研究思路，所以，研究前沿的分析就显得意义重大。本章对纳米能源领域的10个重点前沿方向进行分析和解读，以对纳米能源领域的战略部署和科学研究提供方向选择的科学依据和研究基础。2.1 数据与方法说明
通过持续跟踪全球最重要的科研和学术论文，研究分析论文被引用的模式，特别是通过聚类发现成簇的高被引论文频繁地共同被引用的情况，可以发现研究前沿。当一簇高被引论文共同被引用的情形达到一定的活跃度和连贯性时，就形成一个研究前沿，而这一簇高被引论文便是组成该研究前沿的“核心论文”。研究前沿的分析数据揭示了不同研究者在探究相关的科学问题时会产生一定的关联，尽管这些研究人员的背景不同或来自不同的学科领域。
我们先把ESI数据库中纳米能源领域相关的177个研究前沿遴选出来，按照核心论文的总被引频次排序，取被引频次在前10%、被引频次超过1000次的前沿，共16个，按照核心论文的平均出版年由高到低排序，取前10个前沿作为重点前沿进行解读和分析。2.2 重点前沿解析
我们遴选出10个重点前沿进行详细解读，这10个重点前沿是高能量密度超级纳米电容、高性能不对称超级电容器、钙钛矿太阳能电池及无机空穴传输材料、石墨烯微型超级电容器、纳米流体传热特性及其在太阳能集热器上的应用、多孔碳氧还原催化剂、纳米发电机、锂硫电池电极材料、长寿命锂离子电池电极材料和高功率锂离子电池电极材料。这些前沿的核心论文平均出版年为2012—2015年，核心论文数为5～30篇，如表2.1所示。表2.1 纳米能源领域重点前沿Top10
对这10个研究前沿的施引论文发表时间（见图2.1）进行分析发现，10个方向的施引论文均有明显增加的趋势，说明这10个研究前沿目前依然是研究热点。图2.1 10个研究前沿的施引论文发表时间2.2.1 重点前沿：高能量密度超级纳米电容
超级电容器是一种新型、高效、实用的能量存储装置，具有大容量、高功率、长寿命、成本低廉、环境友好等优越的性能。2007年，美国《探索》杂志将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量存储领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池，发挥传统蓄电池不能发挥的优势。在节能环保日益成为主题的今天，它的应用不断引起世界各国的重视。合适的电极材料是超级电容器研发的重点方向，超级电容器如果使用纳米材料，在用量很少时就可以达到特定的电容量，利用很薄的材料层就可以实现较高的电容量，因为较小的粒子意味着较大的活性比表面积。另外，较薄的层意味着微型化在较大程度上是可行的。因此，将纳米材料用作电容器电极材料，将为电容器打开新的潜在市场。
高能量密度超级纳米电容研究前沿一共有10篇核心论文（见表2.2），被引次数都在30次以上，最高的达到438次，这些核心论文的作者主要来自中国，发文7篇，美国作者发文2篇，印度作者发文1篇。从核心论文发文作者来看，中国占据了绝对优势。从核心论文的发文机构来看，发文最多的是清华大学，发文4篇，其次是北京科技大学，发文2篇，印度理工学院、宾夕法尼亚大学、上海交通大学和佛罗里达大学各发文1篇（见表2.3）。表2.2 高能量密度超级纳迷电容研究前沿核心论文续表表2.3 高能量密度超级纳米电容研究前沿中核心论文的主要产出国家和机构
对这些核心论文的施引论文进行分析，可以更好地追踪这个前沿的后续发展情况。结果发现，高能量密度超级纳米电容研究前沿核心论文的施引论文共计921篇，主要施引国家是中国，施引论文比例高达59.7%，其次是美国，施引论文比例达到12.1%，印度排名第三，施引论文比例达到6.7%。排名前十位的施引机构全部来自中国，北京科技大学有38篇论文引用了核心论文，排名第一，其次是同济大学，排名第三的是上海交通大学（见表2.4）。表2.4 高能量密度超级纳米电容研究前沿中施引论文的主要产出国家和机构续表
高能量密度超级纳米电容研究前沿核心论文的主要作者包括党智敏（北京科技大学，3篇）和沈洋（清华大学，2篇）等人。施引论文的主要作者包括黄兴溢（上海交通大学，28篇）、翟继卫（同济大学）、党智敏（北京科技大学）等人（见表2.5）。表2.5 高能量密度超级纳米电容研究前沿核心论文和施引论文中的主要作者
综上所述，中国是高能量密度超级纳米电容研究前沿的核心论文重要产出国，也是重要的施引国，主要的核心论文产出机构、作者、施引机构、施引作者几乎都来自中国。2.2.2 重点前沿：高性能不对称超级电容器
不对称超级电容器即混合电容器，它综合了双电层电容器与法拉第准电容器储能机理。一方面利用电极和电解质之间形成的界面双电层存储能量。当电极和电解液接触且施加的电压低于电解液的分解电压时，在库仑力、分子间力或原子间力的作用下，电荷在极化电极/电解液界面重新分布排列，形成紧密的双电层存储电荷，但电荷不通过界面转移，该过程中的电流基本上是由电荷重排而产生的位移电流。另一方面在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。存储电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子在电极活性物质中发生氧化还原反应将电荷存储于电极中。电极材料是决定不对称超级电容器性能的关键因素之一。目前不对称超级电容器体系主要有碳材料/改性碳材料体系、碳材料/氧化物体系、水合物/碳材料体系等。
高性能不对称超级电容器研究前沿的核心论文有30篇（见表2.6），最高被引频次是311次，这些核心论文的作者主要来自中国，发文23篇，占核心论文的76.7%，其次是新加坡，发文4篇，占核心论文的13.3%，印度、沙特阿拉伯和韩国各发文1篇。这些核心论文的主要发文机构包括：南洋理工大学，发文4篇，占核心论文的13.3%；华中理工大学和南京航空航天大学各发文3篇，占核心论文的10%；安徽师范大学和中南大学各发文2篇（见表2.7）。表2.6 高性能不对称超级电容器研究前沿核心论文
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