能源科学在新时期面临的5个挑战：如何在电子级别控制物质过程；如何设计并完美高效地合成性质符合要求、具有革命意义的新的物质形式；如何从原子或电子组成的复杂关系中找到不同寻常的物质性质，并控制这些性质；如何在纳米级别掌握能源和信息，创造出能与现有技术相抗衡的新技术；如何远离物质平衡去描述并控制物质。
美国能源部希望建立一个能源前沿研究中心，来处理在技术研讨中提出的所有问题。纳米技术对未来能源供应扮演关键角色，主要体现在能源生产、能源运输与储存、能源消费。
纳米技术在能源生产中的利用
利用纳米级别的制造、描述和模拟新方法，为从分子和电子的角度认识和控制太阳能转化提供了新机遇，而在5年前，通过物理、化学和生物手段把太阳能直接转化为电力和化学燃料还是不可想象的。当今，在纳米管（碳纳米管可以使光电化学太阳能电池的效率增加一倍）和量子点（量子点纳米技术是太阳能的未来）方面已做了大量研究工作。
依靠纳米技术，使生物原料转化为便携燃料由概念变成现实。借鉴生命的纳米系统对能量、熵和信息的控制方式，人们可以开发相似的复杂能源技术，包括光的采集、激发转移、电荷分离、二氧化碳还原转移、碳的固定存储和转化。
催化技术是化石燃料、可再生及替代能源原料实现环境友好、高效、经济转化的关键。这一领域的核心问题在于对复杂重分子混合物、生物衍生物、固态纳米结构及其界面的催化机理的认识。
纳米材料有助于可再生能源生产。例如使用纳米复合材料，可制造更轻、更结实的涡轮叶片，近期有望用于开发下一代风力涡轮。通过提高涡轮性能和可靠性，可以延长使用寿命、减少材料疲劳损坏，从而降低能源生产成本。
纳米技术在能源运输存储中的利用
能源储存系统的“瓶颈”，从根本上说是电能储存装置（电池和燃料电池）的材料组成。开发多功能存储材料，使其具有自我修复、自我调节、容错、杂质过滤和耐久性质；开发新型纳米材料，既满足特定性能需要的全新结构，又可以优化离子和电子的输送和容量。
作为能源载体，从能源清洁、对不同生产方式和多种用户的方便衔接、传输效率等角度看，还没有哪一种能源可以与电相匹敌。然而，电网所面对的挑战很快就会变成危机，现有的电网技术不足以解决电力输送的“瓶颈”。基于超导技术的全新的电力输送、控制方法可以解决这一危机，其中主要是十分之一纳米与100纳米两块超导复合材料间的纳米现象，下一代电网技术需要设计与生产具有超导功能的材料。
安全、高效和紧凑的氢存储设备，是氢能运输所面对的主要挑战，纳米技术在这方面扮演重要的角色。纳米材料的物理性质可根据大小和形状进行调节，这是由于纳米材料的量子限制强，较小体积可有较大表面积，这些性质对设计氢存储材料十分有用。纳米聚合材料作为氢吸收材料，单壁纳米管很有希望成为大容量氢存储装置。
纳米技术在能源消费中的利用
利用纳米材料的应急反应和化学反应，为开发新一代固态照明设施、发电机、清洁高效运输燃料，化工生产和化学燃料的催化过程，无电阻的超导输电设备提供了机遇。固态照明方式将极大地提高能源利用效率，未来将发明出超高效的发光纳米材料。
纳米技术还会间接影响能源利用。如采用高性能纳米复合材料，制造出的汽车和飞机可以轻很多，因此可提高燃料效率。一旦纳米技术的燃料电池实现商业化，成为内燃机发动机的替代品，运输行业的面貌将大为改观。
纳米技术对未来清洁能源应用的几乎所有方面都具有重大意义。毫无疑问，用纳米技术为能源问题提供解决方案，不是今天，也不是明天，但依靠未来10～20年的大规模国际合作努力，梦想将成为现实。现在各国的纳米技术多是从基础研究领域出发，而不是集中在商业应用上。纳米技术不仅有助于解决能源和气候危机，最终随着大规模的需求和商业化，将成为一个崭新的行业。
纳米技术在能源环境发展具有开拓性
能源和环境是目前人类面临的两大全球问题，人类既要开发能源技术、扩大能源获取途径，同时还要避免引起环境污染。近年来纳米科技越来越热，研究成果也越来越重要。除了可预期的前景，我们的确看到了纳米技术在提高能源利用效率、开拓源泉、改善环境方面具有很多实实在在的应用。
目前，纳米材料和纳米技术在太阳能电池、燃料电池、热电、催化剂、制氢储氢等能源领域已取得突出进展。同时，在环境保护领域，纳米技术有望减少光催化反应的污染、汽车尾气排放和大气污染以及探测并净化环境中危险化学颗粒。利用超分子化学、纳米组装等技术将多种分子、原子化学材料“砖块”搭成功能性结构材料器件，可以大大地提高能源的利用效率。比如，在电池、燃料电池的电极外覆盖一层极薄多孔的二氧化锰或二氧化钛膜或使用纳米材料催化剂，可以增加其传输能力，从而提高发电效率、减少环境污染。
借助纳米技术解决能源问题
2000年，世界能源消费量85%来自化石燃料或核能。初级能源的一个最重要的消费者是电力部门。到2020年，能源消费总量预计将增长20%，如无有效措施，二氧化碳排放量将增加14%。根据《京都议定书》，欧盟承诺2008年至2012年期间二氧化碳排放量要比1990年低8%，为此，可再生能源所占份额要从6%升至12%，并提高能效。为了实现这些目标，解决方案不仅仅包括技术手段，还包括改变能源输送和利用的潜在方法。因此，促进能源部门的研究与技术开发是关键的一步。
为了开发更清洁、廉价和有效的工艺，需要跨学科的努力，其中包括各个不同的技术领域，如能源、化学工程、生物技术、传感器、信息技术、材料科学、材料工程等等。在这些领域中，纳米技术和纳米材料被认为很有潜力，对能源系统将产生重大影响。
纳米技术涉及对单个原子、分子或分子簇的处理或自行组装形成结构，创造出具有低尺寸结构产生的新特征或不同特性的材料和装置。与能源部门关系最为密切的是有上述尺寸的粒子。这可能是球形粒子、圆筒状纳米管或有纳米级微孔的材料。纳米技术最有趣的是，纳米大小的粒子具有完全不同于宏观世界的相同材料的特性。
与大块材料相比，纳米粒子与能源应用最相关的作用是大量暴露在表面的原子。由于巨大的表面面积可以用较少的材料产生较高的反应率，这对生产较好的催化剂，改进燃烧工艺或提高光吸收率是有用的。这一表面效应也适用于能量储存应用或能量转换。我们可以利用吸收性纳米粒子的尺寸来调节光谱吸收。利用这一效应可提高太阳能电池的光吸收，从而提高效率。与常规尺寸的相同材料相比，这种材料的机械特性在纳米区域能够发生极大的变化。例如：纳米管强度比相同尺寸的钢高很多。在复合材料中，这可以产生较轻的材料，用于汽车或飞机，同时降低能耗。
有纳米层或纳米棒的太阳能电池可以大幅增加太阳光的发电量。纳米结构材料或纳米组件可用于未来或新出现的能源生产技术，其中包括太阳光伏电池和氢能转换。纳米技术将有助于推进燃料电池的开发，带来更有效和更划算的电极和电解材料。气凝胶是一种有纳米级微孔的透明隔热材料，被开发用做太阳能收集器的覆盖材料。纳米结构材料在热电装置中显示出其未来的应用潜力。此外，纳米生物技术研究增加了知识，使生物动能子系统得到成功的建造。
纳米晶体金属混合物可以为储存氢提供重要的有利条件，而且，对碳纳米管的储氢能力开展了积极的研究，也引发了很大的争论。然而，其他独立组织没有实例可以证明或者确定碳纳米管的高储存容量。因此，其商业化似乎是不可能的。业已证明，纳米晶体材料和纳米管可以使锂电池的功率密度、寿命以及充放电速度大大提高。
在超级电容器中使用纳米粒子有三种结果：用很少的材料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，因为较小的粒子同较大的活性表面积相关；较薄的层意味着微型化在较大程度上是可行的。因此，纳米技术将为电容器打开新的潜在市场。
节能的潜在应用
利用燃料添加剂可以提高燃料的燃效，从而减少排放和改良燃烧。基于金属氧化物的纳米粒子材料可在发动机无明显磨损的情况下，在原位提升燃烧反应，这是由于粒子大小的关系。如今已经实施的一项提高燃效的解决方案是利用纳米多孔催化剂或纳米粒子来提高转换率。用相似的方法，纳米催化剂可以提高反应率，降低处理温度，减少排放或工业废物，从而提高化学反应的生产率。
隔热方面的进展将有助于降低家庭和工业的日常能源需求和费用。纳米技术以气凝胶的形式为该领域作出了贡献。使建筑物或材料隔热的另一种方法是利用反射面或智能面，对光强度的变化作出反应。纳米技术利用超薄层来帮助改进这些系统。利用基于纳米粒子的较轻、较强和较硬的材料可以降低能源、燃料和材料消耗，尤其是在运输部门。
沸石是一种自然产生或人造的有纳米级微孔的材料，几十年来一直被用做有效的催化剂。而且，目前以孔径在1纳米范围的晶体材料制成的催化剂辅料构成了每年300亿美元的产业基础。石油工业已在利用纳米技术精炼石化产品。如今，在大多数小汽车里都能找到依靠纳米技术的催化转化器，它们用纳米级金属氧化物陶瓷涂层作为催化剂，增加表面面积，帮助消除废气中的有害气体，使汽车更有效地利用燃料。