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在过去的20年里，人们广泛探索了具有纳米级尺寸和独特性能的新型合成材料，以开发用于能源生产和储存的新解决方案 ［1-2］ 。其中，对由碳、硅、无机氧化物及聚合物等材料制成的具有不同形貌的多孔纳米结构的研究越来越多。这种结构具有一些独特的性能，例如用于离子传输的高可用表面积结构，以及具有优异的机械、电学、电化学、磁性和光学性质用于能量转换或储存的合成材料 ［3-6］ 。这些合成材料的主要缺点是生产成本高、批量生产时间长、生产过程中需使用有毒化学药品并产生危险废弃物，会对环境造成污染，不符合当下提倡可持续发展的主旋律 ［7-8］ 。环境对它们的生产至关重要，例如，涂有氧化还原循环有机化学品（如醌类）的超细过渡金属颗粒（如铁和钒）或含有金属杂质的碳纳米管可能会对健康造成负面影响 ［9］ 。为了解决这些问题，人们非常重视使用加工成本低、对环境影响较小的天然或生物材料替代这些危险材料，作为能量转换和储存的替代解决方案。
在自然界中，有许多自然生成的具有多种功能的复杂生物材料，这些生物材料的性能有时比人工材料好得多 ［10-11］ 。从数百万年的进化中发展起来的自然分子自组装过程能够在温和的环境条件和更低的能耗下，以高精度和可重复性创建这些独特的生物结构。这些生物材料在具有复杂结构和独特性能的新型纳米结构材料的仿生工程方面引起了极大的兴趣，同时也作为低成本天然材料的来源，只需最少的加工即可使用。大多数生物体，如细菌、藻类、鱼类、昆虫、植物、动物和人类（骨骼），都能够将这种类型的无机结构或其有机复合物合成为具有有序的微米到纳米级特征的复杂结构，这些特征通过现有的工程或化学合成工艺是不可能复制的 ［12-14］ 。其中，称为硅藻的单细胞藻类的无定形二氧化硅外骨骼（硅藻壳）是生物衍生纳米结构材料的最引人注目的例子之一 ［15］ 。据估计，100000种硅藻中的每一种都有一个称为硅藻壳的特定三维二氧化硅壳，其特有的形状装饰着独特的纳米尺寸特征图案，如孔、脊、穗和刺 ［15-18］ 。
每个硅藻壳结构具有多层多孔膜或结构，其形状、大小和图案各不相同。从图4.1中可以获得硅藻形状和孔隙结构的显著多样性，其中包括几种最典型的硅藻形状。这些多样的形状和有序的多孔结构无可辩驳地展示了自然设计在微米和纳米尺度上的精确性，为将这种材料的广泛应用提供了巨大的机会。新术语“硅藻纳米技术”最近被创造出来，用来描述探索这些独特材料及其应用的新兴领域，涉及分子生物学、材料科学、生物技术、纳米技术和光子学等不同学科 ［18］ 。硅藻二氧化硅的各种潜在应用，包括光学、光子学、催化、生物传感器、药物输送、微流体、分子分离、过滤、吸附、生物封装和免疫隔离以及纳米材料的模板合成已经被提出和进行了探索 ［19-21］ 。值得注意的是，硅藻二氧化硅可通过大量培养硅藻获得，但它们巨大的数量来自一种叫作硅藻土的低成本硅藻化石，这是一种由纯硅藻壳组成的白色矿物粉末，可从采矿业获得数千吨。
图4.1 由二氧化硅构成的不同形状和三维结构的硅藻
因此，这些基于其独特结构的有前景的天然材料被考虑用于能量转换和储存也就不足为奇了。本章介绍了硅藻基纳米结构（天然硅藻、硅藻壳、硅藻复制品及其复合材料）在锂离子电池材料、超级电容器、太阳能电池、储氢性能和热能储存性能等能源相关领域的应用进展，尽管该领域仍处于早期阶段，但它正在快速发展，并期待硅藻纳米技术对该领域做出巨大贡献。