能源是人类经济活动中最重要的要素。能源是自然的资源，它来自于太阳的辐射。煤、石油、天然气是远古时代存储于生物中的太阳能，它们主要是碳氢化合物。原子核的裂变和聚合也可产生巨大的能量，但只有少数锕系元素具有这种能力。水和空气在太阳能的作用下可产生巨大的势能和动能，把这种势能和动能变为电力就可成为一切机器的动力。今天的电力是基于电磁感应，水力和风力可直接转化为电力。这种转化不会产生环境污染物。燃烧煤、石油、天然气放出巨大的热量，从而产生动力。然而燃烧过程却产生大量环境污染物：一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氧化氮、碳黑等。这些环境污染物破坏了人类的生存环境和危害人们的健康。因此发展新的无环境污染的能源技术就成为开拓和占领能源市场的关键。

　　能源供应的短途化和无环境污染的能源技术

　　除煤和石油以外，目前能源的产生只能在有水力、风力和天然气资源的地方。因此才有西气东输，西电东送的现象。水力和风力无法输运，而煤、石油、天然气则可以输运。由于我国煤资源丰富，75％以上的电力来自于煤。随着工业的发展，专家预计，在世界范围内，从1990到2020年电力的需求将增长一倍，达到4000 GW。现有的发电技术，不管是用蒸汽还是燃烧气体来推动发电机，都要燃烧煤或油或气。因此大量的二氧化硫、二氧化碳和氧化氮将被排放到大气中，引起严重的环境污染。

　　我国的水力资源在西南，因此只好西电东输--远程供应。在我国还没有新的无环境污染的能源技术之前，只好采用这种高损耗低效率的输运技术。然而能源供应的短途化是高效率的节能的能源供应方法。然而能源供应的短途化要求可再生的能源资源和无环境污染的发电技术。可再生的能源资源和无环境污染的发电技术目前主要靠水力发电。提高发电效率，降低发电成本是技术发展的主要目标。远距离输送将成为水力发电的主要成本。

　　人们知道氢气是极好的能量载体。燃烧氢产生水，没有任何环境污染。1893年William Grove发明了燃料电池。当时，它叫"gaseous voltaic cell"。它通过氢气释出电子于阴极，而氧气捕获电子于阳极，从而氢、氧离子形成水。所以阳极与阴极便产生了电势形成了"电池"。"燃料电池"实质上是化学能转化为电能的器件。人们通常把电能转化为化学能，而在使用时，再把化学能转化为电能，称这种把电能存储于化学能中的器件为"电池"。然而燃料电池却不需要把电能转化为化学能，正如人们把太阳能转化为电能的器件叫太阳能电池，而实际上是太阳能发电。如果从发电原理上讲，太阳能电池与燃料电池是相似的，而与水力，风力，燃烧煤、油、气的发电完全不同。如果说后者是宏观机械的设计和控制的技术，那么太阳能电池、燃料电池则是对原子及其结构组合的设计和调控,由原子相互作用促成电子输运的技术。人们认识到物质是由原子组成才有100来年，理解原子、电子运动规律才有70－80年，而对各种固体结构以及原子和电子的输运规律才仅有几十年。因此，尽管发明燃料电池已有100多年，但人们对如何设计和控制原子结构却还不能说已十分理解。在原子水平上，把特定的原子安排在特定的位置上，组成特定的构型，是当今材料科学的前沿，控制和加速电子的输运和分离是今天固态化学的研究课题，把特定的碳氢氮等化合物分子与无机氧化物沟通起来更是今天科学家探索和研究的领域。用一句话来说，燃料电池的发展是今天所谓的纳米科技的重要内容之一。

　　从经济角度看，能源市场是最大的市场，因而研究和开发新的燃料电池在西方一百年来从未停止，特别是近50年来，发展更是迅速。例如1995年2MW的燃料电源发电场在美国加州开工兴建。美国福特公司、德国奔驰公司和美国Ballar燃料电池公司联合开发汽车用燃料电池。今年已推出以燃料电池为动力的汽车。日本丰田等公司也有产品。在美国马塞诸萨州一个150户的小镇，不用外来供电，而是利用废水产生氢，用氢燃料电池发电250KW，供应这150户的电力需要。在宇宙飞船上也用燃料电池供电。

　　近年来，中国科技界已对燃料电池技术发生极大兴趣，在这个领域的市场正在开发。谁研究开发走在前面，未来能源市场就属于谁。中国的现代化，需要清洁、可再生的燃料电池技术，而先进的燃料电池技术将使中国走向世界能源市场。

　　能源与废气处理

　　在目前，燃汽轮机等仍是火力发电的主体，内燃机仍是运输工具的主要动力来源。由于它们燃烧碳氢化合物，而燃烧温度又在1000℃以上，因此依据燃烧的充分与否，必然会排放出一氧化碳、二氧化碳、氧化氮及其它碳氢化合物等有害气体，因此处理这些废气就成为能源工业的重要一环。特别是，随着工业的发展，汽车越来越多，汽车尾气将成为城市空气污染的主要来源。

　　汽车尾气的处理，主要是寻求有效催化剂及其载体来把有害气体变为无害物质。尾气中的未燃烧的或燃烧过程中形成的碳氢化合物，它们可被氧化为无害气体。尾气中的一氧化碳可被氧化为二氧化碳。尾气中的一氧化氮必须处理为无害的氮气或氮的其他氧化物。能把这三类有害气体变为无害的催化剂叫三向催化剂（Three Way Catalyst）。三向催化剂必须高度分散，从而具有极大的表面积，以便尾气的有害气体分子与之充分接触，使它们之间发生化学反应。把有害的气体变为无害气体的关键是要有�"及时"提供氧原子的物质，称之为"氧输运体"或"氧存储体"。由于内燃机是周期性排放尾气，所以在尾气排放的间隙，空气必然存在。因此，这种氧输运体可以从空气中吸收氧气，而在尾气与之接触的瞬间释放出氧从而进行氧化反应。所以寻求具有这种氧输运体，即把催化剂形成极微小的颗粒而载于具有大表面的载体上，就是尾气处理的关键，这就是纳米科学和技术在环境科学中的应用。汽车尾气处理需要这种技术，各种燃烧柴油、重油、航空汽油的内燃机、燃汽轮机都需要这种技术。随着人们对环境的要求不断增高和各国环保法律的严格实施，对尾气处理的要求愈加苛刻。因此尾气处理的市场极其巨大，开发这个领域的新技术将会在这个市场中占有一席之地。

　　氢经济和世界和平

　　人类的一切活动都是和能源分不开的，而且世界历史上和目前的一些政治和军事冲突都是和抢占能源密切相关。从十年前的中东战争，到近期的巴以冲突，美国一直把中东问题作为外交和军事的首要问题，其根本就是保证中东石油向美国源源不断地廉价输送。在美国目前一加仑的汽油只要0.9美元，而同样单位的饮用水还要一美元以上，真是油比水便宜！然而，从长远的战略出发，美国不但保留阿拉斯加和德克萨斯的巨大石油不开采，而且还有大量的战备储存油。由此可见保护原油资源就是保护子孙万代的利益！

　　为了解决未来的无污染能源的需求，小布什上台后大力推行燃料电池技术。2001年11月在美国科罗拉多州丹福召开了"现在就用氢"（Hydrogen Now!）的研讨会。人们认为采用氢燃料不仅能解决短途化和可移动能源问题，空气污染，温室效应等环境问题，而且氢燃料会导致"氢经济"，即以氢为能源而驱动的政治和经济。氢经济的实现将可减少或消除以争夺石油为目的的政治、军事冲突，有利于世界和平。因此大力发展氢燃料技术就成为科技界的一大热门话题。

　　要实现氢燃料电池应用于汽车，技术上必须要求有安全、有效的制氢技术。人们担心氢气在运输中的爆炸，所以如何运输氢也是要解决的问题，输运材料将成为研究的热点。现有的稀土与镍的金属间化物可以储氢，但要用于汽车，却有储氢量与材料重量之比比较小的问题。因此研究和开发新型高储氢而重量轻的储氢材料有着极广阔的市场。

　　在分子中含氢量最大的是甲烷（CH4）和水（H2O）。而甲烷（俗称沼气）可以通过植物而制成，而植物是太阳能的存储体，所以甲烷和水是地球上取之不尽，用之不竭的能源。如何把甲烷中的碳和水中的氧结合起来而释放出氢，就成为催化研究的核心。任何化学反应都要激活能，如果这种能量是太阳能，那么太阳能、甲烷和水就成为人类能源的理想来源。太阳能的利用和研究已进行多年，过渡金属硫化物研究得最多。10年来进行了大量的氧化钛纳米颗粒与碳氢氮等化合物组合在一起的太阳能电池的研究，并取得了很大进展。然而太阳能中的长波区还未被充分利用。如果把太阳能中的热能变为从甲烷和水中制取氢气的"激活能"，那么人类将可以获得清洁、方便、用之不尽的能量--氢，人类的经济生活将从石油、煤转移到氢经济，�"绿色经济"。

　　要实现上述美景就要求寻找能把水中氧输运给甲烷中碳的催化剂，也就是氧输运体，就是在原子分子水平上进行调控，这种对原子和分子的调控能力就是今天纳米科学与技术的内容。人类在21世纪的科技竞争就是看谁首先理解和掌握调控原子分子的能力，使人类充分利用太阳能和存储于绿色植物和水中的能量，采用太阳能和氢为动力燃料，形成绿色经济，从而使人类生存的环境更加协调，和平和美好！