2025年9月13日-16日，2025年国际绿碳科学大会在青岛召开，中国工程院外籍院士、新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授应邀出席，并作题为“Role of Nanotechnology in the Low Carbon Energy Development”主旨报告。

纳米技术在低碳能源发展中的作用

 背景介绍 

在全球“双碳”目标与能源转型的时代背景下，材料创新如何推动绿色低碳发展已成为能源与材料领域的前沿热点。在本次主旨报告中，新加坡国立大学Seeram Ramakrishna 教授系统介绍了静电纺丝纳米材料、柔性与固态电池、氢能经济、绿色燃料与数据中心碳减排等前沿方向。他以丰富的研究成果与产业实践，展示了纳米科技在能源革命中的巨大潜力。

图1. Seeram Ramakrishna教授在第二届国际绿碳科学大会作主旨报告

 报告亮点 

· 静电纺丝纳米纤维——从实验室到产业化：静电纺丝技术自1902年发展至今，已从实验室走向产业化，在电池正极、电解质与柔性基底等方面展现出显著优势，成为典型材料创新案例。

· 柔性与固态锂硫电池的突破：静电纺丝纳米纤维极大改善了硫正极和电解质的性能；Thiospark已将固态Li-S电池推向商业化阶段，验证了该体系的可行性；在柔性电子和高能量密度储能等领域，固态锂硫电池有望逐步替代部分传统锂离子电池。

· 氢能经济与电催化剂设计：光催化剂创新决定了氢能利用的效率与成本；通过静电纺丝构建多孔结构、引入 Fe-N-C 等活性位点，可显著提升燃料电池性能，降低成本，助力燃料电池与氢能经济落地。

· 绿色能源与低碳技术路径探索：能源转型需多路径并行，甲醇兼具燃料与氢能载体价值；循环经济与数据中心节能是重点，新加坡樟宜机场的再生柴油试点项目示范表明应在系统层面构建低碳生态。

· 全球视野与战略思考：未来能源由电动车、机器人、数据中心驱动；纳米技术推动低碳能源，全球协作是实现碳中和的关键。

 报告内容介绍 

1 静电纺丝纳米纤维：从实验室到产业化

Seeram Ramakrishna 教授以“棉花糖”为例，生动引出静电纺丝（Electrospinning）技术（图2），系统回顾了从1902年静电纺丝技术的首次提出，到现代高通量静电纺丝设备的发展历程。与传统纤维制备方法相比，静电纺丝技术能够在纳米尺度精确构建纤维网络，形成具有高比表面积和高孔隙率的薄膜，从而为其在能源与环境领域的应用奠定坚实基础。

Ramakrishna教授介绍了多种静电纺丝设备类型：从单针装置、多喷头并联系统，到卷对卷（Roll-to-Roll）连续化制备平台。他指出，这种设备演进极大地推动了静电纺丝技术从实验室走向产业化，且近年来静电纺丝纳米纤维已成功应用于过滤材料、医用敷料和能源器件等领域。

图2. 静电纺丝技术

2 柔性与固态锂硫电池的突破

Seeram Ramakrishna 教授重点介绍了锂硫电池（Li-S）及固态电池的研究进展，并结合其实验数据与产业化案例，展示了该方向的突破性成果。

传统锂离子电池的能量密度正逐渐逼近理论极限，而锂硫电池因其高理论能量密度（约2600 Wh/kg）、硫资源丰富和环境友好等优势，被视为下一代储能体系的有力候选者。然而，该体系的发展长期受限于多硫化物穿梭效应导致的容量快速衰减、硫本身导电性差所造成的利用率低、以及循环寿命短等问题，难以满足商业化需求。

Seeram Ramakrishna教授指出，通过引入静电纺丝碳纳米纤维作为支撑网络，硫正极表现出更高的容量保持率和更长的循环寿命（图3），静电纺丝技术在此所发挥的作用不仅是材料层面的改性，更实现了电极结构设计上的根本性突破——它实现了硫基电极从“结构脆弱”到“结构可控”的转变。

图3. 硫基电极从“脆弱”变得“可控”

其团队孵化的Thiospark公司已推出首款商业化固态锂硫电池，该电池可实现超过800次循环寿命、容量保持率达84%，并具有发热量低，成本降低20%，以及安全性提高两倍等优势（图4）。这一成果成功突破了传统锂硫电池在循环寿命与能量密度方面的瓶颈，展现出固态电池在高能量密度、低成本储能领域的广阔前景。

此外，教授还展示了基于静电纺丝纳米纤维电极在反复弯折条件下仍能保持良好的电化学性能，为可穿戴电子产品、柔性显示及医疗植入设备提供了可行的能源解决方案。

图4. 首个商业化固态 Li-S 电池

3 氢能经济与催化剂设计

Seeram Ramakrishna 教授指出，氢能是未来清洁能源体系的核心支柱之一；尽管当前绿氢成本较高，但其具有显著的长期战略价值。据预测，全球氢能需求将在2050年达到5.6至6.7亿吨（560–670 Mt），市场规模有望扩张至2.5至3万亿美元。中国、新加坡等国家预计将在全球氢能产业链布局中发挥关键作用。

在推动氢能经济发展的过程中，催化剂的效率与稳定性是亟待解决的核心问题。Seeram Ramakrishna 教授重点展示了其团队基于静电纺丝碳纳米纤维负载金属/非金属活性位点的多项研究成果，包括引入碳纳米管的Fe-N-C/CNT 复合材料和Fe3C-Fe1/CNT 复合物，通过结构设计，有效加速了反应动力学并提升了催化稳定性。高效、低成本的电催化剂，是推动氢能经济真正落地的核心。氢能经济的未来路径，也强调了新材料研究在其中的关键作用。

4 绿色能源与低碳路径探索

Seeram Ramakrishna教授提出，能源结构的绿色转型不仅依靠新型电池与氢能，还需多路径协同推进，包括液态燃料替代、生物质能源利用、数据中心节能以及循环经济模式的建立；甲醇既可作为一种清洁燃料，也可作为氢能的“液态载体”（图5），这一双重功能使其在能源转型初期具备重要的过渡价值。

图5. 液态甲醇储能技术的优势

教授介绍了樟宜机场的再生柴油试点项目，该项目将废弃油脂转化为低碳燃料，体现了循环经济在能源领域的实际应用——既减少了废弃物，又为交通系统提供了绿色能源；此类模式值得在全球范围内推广，尤其是在能源进口依赖较高的东南亚地区和中国。

此外，教授特别强调了数据中心在能源消耗方面的重要影响（图6）。数据中心被誉为“信息时代的电老虎”，为应对其高能耗问题，新加坡与Meta、Keppel、南洋理工大学等合作，共同建设了热带可持续数据中心（STDC）试验平台。该平台致力于优化散热系统、提升电能利用效率（PUE），并探索以可再生能源供电。通过节能型冷却技术和能源系统优化，数据中心的碳排放可降低30%–40%。

图6. 能源需求的不断增长

5 全球视野与战略思考

碳中和不是单一国家的任务，而是全球博弈与合作的结果。各国在碳中和时间表上的差异，反映了其经济发展阶段、能源结构特征与政策推动力度的不同。Seeram Ramakrishna 教授特别介绍了小型模块化反应堆（SMR）的发展前景。与传统核电相比，SMR体积更小、部署灵活；安全性显著提高，适于靠近人口密集区建设；能够与可再生能源互补，为城市和工业提供稳定电力供应。Seeram Ramakrishna 教授强调，对于新加坡这类土地与资源受限的国家，SMR 将成为清洁能源体系中的重要备选方案。这一内容表明，能源战略不仅需要发展新能源，也需注重对传统能源系统的升级与改造。能源转型不仅是一场技术革命，也是资本驱动与政策引导下的经济结构变革。

Seeram Ramakrishna教授还提出了电动交通、机器人与低空经济、数据中心与黑灯工厂、智慧城市与能源互联网等几个关键的能源需求驱动方向，这些方向凸显了能源需求已不仅仅来自传统工业，而是与数字化、智能化社会深度融合。

最后，Seeram Ramakrishna教授对于全球合作与未来进行了展望，强调跨国科研与产业联盟、绿色能源标准、技术、产业链上的区域协作，以及全球能源与材料领域的学术交流与合作的重要性。他重申纳米技术是低碳能源转型的重要驱动力，但最终目标必须依靠全球合作才能实现。

专家介绍

Seeram Ramakrishna 教授

Seeram Ramakrishna，新加坡国立大学（NUS）教授，国际知名学者，剑桥大学博士，哈佛大学TGMP 结业，并在麻省理工学院（MIT）、约翰斯·霍普金斯大学和日本京都工艺纤维大学等世界一流机构开展高级研究工作。入选汤森路透“全球最具影响力的科学思想家”、高被引学者，发表 Q1 期刊论文 500 余篇，H 指数 217，总引用逾 22 万。其研究成果发表于Nature, Nature Communications, Matter等国际顶刊。Seeram Ramakrishna 教授获中国政府友谊奖和教育部长江学者称号，最高学术荣誉包括：中国工程院外籍院士、英国皇家工程院院士、新加坡工程院院士、印度工程院院士、东盟工程与技术科学院院士、国际仿生科学院院士等。此外，他还是 AAAS、ASME、AIMBE、ASM International、IMechE、IoM3等十余个国际学会会士，并于2025年获新加坡工程师学会“可持续发展资深特许工程师”称号。历任新加坡国立大学副校长（研究战略）、工学院院长、新加坡太阳能研究所主席、清华大学讲席教授、IIT Hyderabad 特聘教授、世界人工意识协会副主席等职。

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