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1、化学与能源,能源的定义,关于能源的定义，目前约有20种。例如：科学技术百科全书说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；大英百科全书说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；日本大百科全书说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的能源百科全书说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。,能源的定义,根据世界能源会议规定：“能源是使某一系统
2、产生对外部活动的能力。”是自然界可被人类用来获取各种形势能量的自然资源。是指一切能量比较集中的含能体(如煤炭、天然气等)和能量过程(如风、潮汐)。,能源的分类,按来源分为3类：,来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来，煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。,地球本身蕴藏的能量。通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。如原子核能、地热能
3、等。,地球和其他天体相互作用而产生的能量。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000度。地球上的地热资源贮量很大，温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。,即天然能源，指在自然界现成存在的能源，一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、油页岩等）。,水、石油和天然气三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能等
4、可再生能源也被包括在一次能源的范围内。,二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，,电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。,煤炭、石油、天然气、泥炭、木材,按能源性质分类,燃料型能源,非燃料型能源,水能、风能、地热能、海洋能,地热能,新型能源-地热能,再生能源和非再生能源 凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。,能量转化,各种能源形
5、式可以互相转化，在一次能源中，风、水、洋流和波浪等是以机械能(动能和位能)的形式提供的，可以利用各种风力机械（如风力机）和水力机械（如水轮机）转换为动力或电力。煤、石油和天然气等常规能源一般是通过燃烧将化学能转化为热能。热能可以直接利用，但大量的是将热能通过各种类型的热力机械（如内燃机、汽轮机和燃气轮机等）转换为动力，带动各类机械和交通运输工具工作；或是带动发电机送出电力，满足人们生活和工农业生产的需要。,能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱，而能源又是材料和信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火，通过燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化，
6、创造了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革。,能源发展史,人类从上古时代茹毛饮血的野蛮，进化到现代高度文明，始终与不断开发并使用能源密不可分。人类的发展史可以看到能源品种的不断开发不断更替的作用。根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。,大约在25,00035,000年前，人类知道了不依靠天然火而自行取火。最初的火（直到十八世纪），主要用来烧熟食物和取暖。,柴草时期,钻木取火是一种把机械能转化为热能的方法。于是，人类掌握了不同形态的能量间的转换。从此人类便开始利用来自自身以外的能量，
7、扩大自己对大自然的支配能力。,人类在利用柴火的过程中，产生了支配自然的能力从而成为万物之灵。,容易再生！,煤炭时期,煤炭的开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界的主要能源是18世纪中叶。,1769年瓦特发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源而受到关注。,煤炭时期,蒸汽机的发明第一次工业革命。煤炭的利用使人类获得了更高的温度，推动了冶金技术的发展，工业革命后100多年生产力的发展促进了人类近代社会的进步。,石油时期,二次大战后，发现了大型的油田和伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。石油炼制得到的汽油、柴油等是汽车、飞机等用的内燃机燃料。,新能源时期,常规能源（如煤炭、石油和天然气
8、）的燃烧将化学能转换为热能和光能，同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度，因此化石能源面临着被消耗殆尽的危险。随着化石能源的枯竭，太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源，这是将要到来的新能源时期。,世界能源结构,常规能源化石燃料,煤、石油、天然气是当今世界上最重要的化石燃料(又叫矿物燃料)，是主要的能源。,能源利用比例,煤黑色金子,煤的形成：煤主要是由古代植物在地下隔绝空气的条件下，经过长期的一系列
9、复杂的化学变化和生物变化，形成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。煤的主要成分是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素。按煤的变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。,煤的形成示意图,煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占70%），煤的年消费量在10 亿吨以上，其中30%用于发电和炼焦，50%用于各种工业锅炉、窑炉，20%用于人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中C、H、S 及N 分别变成CO2、H2O、SO2 及NOx，这样热利用效率并不高，如煤球热效率只有20%30%；蜂窝煤高一点，可达50%，而碎煤则不到20%。至于工业锅炉用煤的热效率不仅与炉型结构有关，而
10、且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。,煤 炭,煤炭，是指原煤，不包括洗煤、选煤及其他煤炭制品。煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约1012 t，中国约占11%，仅次于俄罗斯和美国，处于第三位。煤炭既是重要的能源，也是重要的化工原料。煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃，及一些脂环烃和杂环化合物。结构单元之间由氧桥及亚甲基桥联接，它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大分子在三维空间交联成网络状结构，一些小分子以氢键或范德华力与其相连。无机矿物被有机大分子所填充和
11、包埋，形成复杂的天然“杂化”材料。,煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，即煤的干馏。由此得到焦炭、煤焦油、炔炉气、粗氨水和粗苯等。这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。,三段式煤干馏炉,煤的气化：把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。煤与有限的空气和水蒸气反应，得到种气态混合物，称之为半煤气：,如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制得水煤气，这种气体的燃烧热比半水煤气高1倍。,煤的液化：把煤转化成液体燃料的过程。煤与液态烃在化学组成上的差别在于煤的氢碳原子比(即H/C)低(一般石油烃的H/C约为18)。为使煤液化，需
12、要加氢。,南非的煤炭“间接”液化工艺-Sasol工艺,洁净煤技术,洁净煤技术（cleaning coal technology）是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化和污染防治技术，是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术领域，14 个技术方面：煤炭加工领域选煤、型煤和水煤浆技术；燃煤与发电领域循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术、整体煤气化联合循环发电技术；煤转化领域气化与焦化、液化和燃料电池技术；污染排放控制及废弃物处理领域煤层气开发利用、烟气净化、粉煤灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。,石油
13、工业的粮食,石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉，自20 世纪50 年代开始，在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。,原油加工示意图,石 油,石油是碳氢化合物的混合物，含有150 个左右碳原子的化合物，按质量计，其碳和氢分别占84%87%和12%14%，主要成分为直链烷烃、
14、支链烷烃、环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外，石油中还含有少量由C、H、O、N 和S 组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大，大约在0%7%之间，主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式存在。氮含量远低于硫，约为0%0.8%，以杂环系统的衍生物形式存在，如噻唑类、喹啉类等。此外，石油中还含有其它的微量元素。,汽油和汽油的标号,辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷的辛烷值定为l00，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得到该汽油的相对辛烷值。为了提高汽油的辛烷值，过去广泛使用的一种方法是在汽油中
15、添加少量抗震剂四乙基铅；现在为了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚作为高辛烷值组分。,目前，我国使用的车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。,天然气natural gas,天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体，其成因和形成历史与石油相同，二者可能伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000m3 的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷烃，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，碳原子数超过5 的组分在地下高温环境中，以气态开采出来，但在标准态下是液体
16、。天然气中各组分的含量常随相对分子质量的增大而下降，其中还含有SO2、H2S 及微量稀有气体。,天然气,我国最早开发使用天然气的是四川盆地，20 世纪末和本世纪初，在陕、甘、宁地区的长庆油田和新疆的塔里木盆地发现了特大型气田，目前正在开发建设中。目前，长庆油田的天然气已经输送至北京、西安等地，塔里木盆地的天然气将“西气东输”至上海。除北京、天津、西安等城市的部分居民已经使用管道天然气外，“西气东输”经过的地区也将逐步使用管道天然气。,天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物CO2 和H2O，都是无毒物质，并且热值也很高（56kJg-1），管道输送也很方便。,石油和天然气作为燃料在燃烧过程中也会产生S
17、O2 和NOx 等有害气体，汽车尾气是氮氧化物的主要来源，对大气造成污染。石油和天然气脱硫、脱氮一直是石油化学工业的重要研究内容。,可燃冰,可燃冰是天然气的一种存在形式，是天然气的水合物。它是一种白色固体物质，外形像冰雪，有极强的燃烧力，可作为上等能源。天然气水合物由水分子和燃气分子，主要是甲烷分子组成，此外还有少量的硫化氢、二氧化碳、氮和其它烃类气体。在低温（1010）和高压（10MPa 以上）条件下，甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质，具有极强的储载气体的能力。,天然气水合物分子结构式为：CH4nH20。这种天然水合物的气体储载量可达其自身体积的100200 倍，1m3 的固态水合物包容
18、有约180m3 的甲烷气体。这意味着水合物的能量密度是煤和黑色页岩的10 倍，是传统天然气的25 倍。在海洋中，约有90%的区域都具备天然气水合物生成的温度和压力条件。目前公认全球的“可燃冰”总能量是所有煤、石油、天然气总和的23 倍。,H20分子,天然气水合物分子结构,天然气水合物是近20 年来才被人们发现的，由于其能量高、分布广、埋藏规模大等特点，正崭露头角，有可能成为本世纪的重要能源。,全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料含碳总量的2 倍，世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在海底之下500m1000m 的水深范围以内。海洋里天然气水合物的资源量约为1.8108
19、 m3，是陆地资源量的100 倍。,化学电源（chemical mains）,化学电源即化学电池，是一种将化学能转变为电能的装置，通称电池，主要分为一次电池（干电池）、二次电池（蓄电池）和燃料电池。,化学能与电能的转化,目前，我国的电力资源主要来自火电和水电，其中火电居于首位。,火电：通过化石燃料燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，使热能转化为机械能，然后带动发电机发电，使机械能转化为电能。,燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。氧化还原反应的本质是电子的转移，因此在一定条件下可产生电流，即化学能转化成电能。,燃煤火力发电的基本原理与主要过程？,思考交流,燃
20、煤火力发电的主要有哪些缺点？1、燃煤资源有限 2、环境污染严重 3、能量转化率低 怎样将化学能直接转化为电能呢？原电池-将化学能转化成电能的装置火力发电的实质与特点？实质：氧化还原反应（煤和O2）；特点：能量转化的环节多。,一次电池,一次电池即原电池（俗称干电池），是放电后不能再充电使其复原的电池，通电电池有正极、负极以及容器和隔膜等组成。例如锌锰电池、碱性锌锰电池等。,电池符号：(-)Zn|ZnCl2,NH4Cl(糊状)|MnO2|C(+)电极反应:(-)Zn(s)Zn2+(aq)+2e-(+)2MnO2+2NH4+(aq)+2e-Mn2O3+2NH3(g)+2H2O(l)电动势1.5V。它
21、携带方便。但反应不可逆，寿命有限。,1.锌-锰干电池,锌-锰干电池内部结构,2.Cu-Zn原电池,3.锌汞电池,电池符号:(-)Zn(Hg)KOH(糊状，含饱和ZnO)HgOC(+)电极反应:(-)Zn+2OH-2e-ZnO+H2O(+)HgO(s)+H2O+2e-Hg(l)+2OH-锌-氧化汞电池体积小能量高，贮存性能优良，是常用电池中放电电压最平稳的电源之一。缺点是使用汞不利于环保。,二次电池,二次电池（Rechargeable battery)：二次电池又称为充电电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。充电电池的充放电循环可达数千次到上万次，故其相对干电池而
22、言更经济实用。目前市场上主要充电电池有“镍氢”、“镍镉”“铅酸（铅蓄电池）”、“锂离子（包括锂电池和锂离子聚合物电池）”等。,铅蓄电池电池符号(-)Pb|H2SO4|PbO2(+),连续电池,在放电过程中可以不断地输入化学物质，通过反应把化学能转变成电能，连续产生电流的电池。燃料电池就是一种连续电池。,燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极。和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在入的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质（燃料
23、和氧化剂）是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，但由于成本高，系统比较复杂，仅限于一些特殊用途，如飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。,氢氧燃料电池是以氢气作燃料，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。,世界上最快的氢燃料车在法国问
24、世,2004年9月20日，法国Marseille，Hysun 3000燃料电池车从柏林行驶到巴塞罗那仅仅用了2公斤的氢燃料，创造了一个新的世界纪录。从来没有过汽车在仅仅使用氢燃料跑过这么远的路程。这种低消耗折合每100公里使用0.2升燃料。,Hysun汽车的核心部分是一个质子交换膜燃料电池。在这里氢和氧发生反应生成水,产生的能量驱动电动机。当刹车的时候，电动机相当于发电机，同时对电容器进行控制。对于这种三轮车来说，它的空气阻力仅仅是普通轿车的一半。不算驾驶员和氢燃料，车的重量为120千克，最大的时速为80公里每小时，平时巡游的时速为38公里每小时。,微生物燃料电池,微生物燃料电池是一种高效能的
25、电池，使细菌能从有机废水中产生大量的氢，其氢产率是传统发酵过程的4倍。这种微生物燃料电池不仅可以产生氢作为清洁能源，也可以净化有机废水。,手机电池,目前手机常见电池类别Ni-MH（镍氢电池）Li-ion（锂离子电池）LiB（液体锂离子电池)LiP（聚合物锂离子电池）,镍氢电池,镍氢电池的电化学原理：以KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）充电时 正极反应：Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2O+e-负极反应：M+H2O+e-MH+OH-总反应：M+Ni(OH)2 MH+NiOOH 放电时 正极：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-M+H2O
26、+e-总反应：MH+NiOOH M+Ni(OH)2 以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。,锂电池,锂是自然界最轻的金属，单位重量的物质能释放较大的电能量。同时它又具有最负的电极电位（3.045V)，选择合适的正极与其相匹配，可以获得较高的电压。由于金属锂遇水会发生剧烈的反应(拆手机电池烧伤手指!)，电解质溶液选用固体电解质(或高分子)。循环次数可达300-1K、充电效率高具备快速充电能力,无记忆效应.,电池标称电压：3.7V/3.6V(因电芯设计工艺不同)充电截止电压：4.2V/4.1V,电池放电下限：2.75V/2.7V。测量电压判断电池剩余容量（
27、4.2V为例）：4.20V-100%,3.95V-75%,3.85V-50%,3.73V-25%,3.50V-5%,2.75V-0%,锂电池的改进,橄榄磷酸锂不久前已由美国麻省理工学院实验成功，其导电性能超过目前用于商品电池的导电材料许多倍，这意味着可以开发出电存储容量极高的锂电池。实验表明，电极采用橄榄磷酸锂的电池的电存储容量及产生的电能，比目前的锂电池高出每克1020。金属锂电池可以说是传统锂离子电池的改进型。锂金属电池的质量比能量是锂聚合物电池和锂离子电池的8倍，而且关键是它直接采用了锂金属，最大特点在于能充分发挥负极金属材料的电池反应，使新型电池的能源储备量达到传统锂离子电池的2倍以上
28、，而在放电容量方面，甚至能达到传统产品的10倍。,太阳能电池,太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。,太阳能电池工作原理：太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。,太阳能电池工作原理,美国科学家试验给人类大脑充电,隶属于美国国家卫生研究院神经学研究所的“大脑功能提升”课
29、题小组研究出：在人的前额装上小电池，将很微弱的电流作用于人的前额部位脑神经，20分钟以后，试验对象的语言能力就会提高20%。这真是名副其实的充电，立竿见影。,化学电源与环保,在一次电池和二次电池中，含有汞、锰、镉、铅、锌等重金属，使用后如果随意丢弃，就会造成环境污染。研究无污染电池和无害化处理是目前亟需解决的两个方面。重金属通过食物链后在人体内聚积，就会对健康造成严重的危害。重金属聚积到一定量后会使人发生中毒现象，严重的将导致人的死亡。因此，加强废电池的管理，不乱扔废电池实现有害废弃物的“资源化、无害化”管理，已迫在眉睫。,电池的回收,国际上通行的废旧电池处理方式大致有三种：固化深埋、存放于废
30、矿井、回收利用。固化深埋、存放于废矿井处理方法中废电池一般都运往专门的有毒、有害垃圾填埋场，但这种做法不仅花费太大而且还造成浪费，因为其中尚有不少可作原料的有用物质。,电池的回收利用方法：（1）热处理。将旧电池磨碎后送往炉内加热，提取挥发出的汞，锌，铁等元素，并将氧化锰、氧化锌、氧化铜和氧化镍等金属混合物作为金属废料直接出售。（2）“湿处理”。将电池均溶解于硫酸，然后借助离子树脂从溶液中提取各种金属，用这种方式获得的原料比热处理方法纯净，因此在市场上售价更高，而且电池中包含的各种物质有95%都能提取出来。（3）真空热处理法。废电池在真空中加热，其中汞迅速蒸发，即可将其回收，然后将剩余原料磨碎，
31、用磁体提取金属铁，再从余下粉末中提取镍和锰。,氢 能,氢能是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的能量。氢能包括氢核能和氢化学能，这里主要讨论由氢与氧化剂发生化学反应而放出的化学能。氢作为二次能源进行开发，与其它能源相比有明显的优势：燃烧产物是水，堪称清洁能源；氢是地球上取之不尽、用之不竭的能量资源而无枯竭之忧；1kg 氢气燃烧能释放出142 MJ 的热量，它的热值高，与化石燃料相比，约是汽油的3 倍、煤的5 倍，研究中的氢氧燃料电池还可以高效率地直接将化学能转变为电能，具有十分广泛的发展前景。,氢燃料的制取,电解水：H2OH2+O2 能量可用太阳能、电能。热分解水：H2OH
32、2+O2 催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000 光分解水：H2OH2+O2 催化剂：Ce4+，联吡啶合钌 光电分解水：以n型氧化钛为电极电解水。,大规模制取氢气，目前主要有水煤气法、天然气或裂解石油气制氢。但作为氢能系统，此非长久之计，理由很简单：因为其原料来源有限。由水的分解来制取氢气主要包括水的电解、热分解和光分解。水的电解和热分解有能耗大、热功转化效率低、热分解温度高等缺点，不是理想的制取氢气的方法。,有人提出一种最经济最理想的获得氢能源的循环体系。,这是一种最理想的氢能源循环体系，类似于光合作用。整个过程分为两个阶段完成了一个循环：第一阶段，使用光分解催化剂，利用太阳光
33、的能量将H2O 分解成H2 和O2；然后再用H2 和O2 制备氢氧燃料电池，产物又重新变成了H2O。在第一阶段中，太阳能被转变成了化学能；第二阶段化学能被转变成了电能，并重新生成起始物质水。太阳能和水是用之不竭，而且价格低廉，急需研究的是寻找合适的光分解催化剂，它能在光照下促使水的分解速度加快。当然氢发电机的反应器和燃料电池也是需要研究的问题。,实现上述良性循环，将使人类永远可以各取所需地消耗电能。光分解水制取氢的研究已有一段历史。目前也找到一些好的催化剂，如钙和联吡啶形成的配合物，它所吸收的阳光正好相当于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和含钙的化合物也是较适用的催化剂。酶催化水解制氢
34、将是一种最有前景的方法，目前已经发现一些微生物，通过氢化酶诱发电子与水中氢离子结合起来，生成氢气。总之，光分解水制取氢气一旦成功突破，将使人类彻底解决能源危机的问题。,氢燃料的贮存,H2密度小，运输和贮存都是很大问题。液氢，沸点低，常温下压力很大，对设备要求高。目前主要考虑贮氢金属。1999年，我国研制 出的纳米碳管，是 很好的贮氢材料。,在298K，200atm下碳纳米管吸附氢（红色）的模拟图象,核 能,1.核裂变能把重核分裂成两个中等质量的核时，释放出大量的能，此过程称核裂变。,核裂变反应是个连锁反应,原子弹爆炸,秦山核电站,但是,核聚变需足够高的温度(109),足够长的时间(1s)。而且
35、要能人为控制不使爆炸。目前，人类已经实现了人工核聚变的实验室试验。,氢弹,太阳能,太阳上进行的反应是核聚变反应，质量变化4106吨，产生能量41023kJ。地球每天接受的辐射能可达61018kJ，其万分之一，足够人类消耗。,太阳能汽车,生物质能(bio-energy),生物质能是指由太阳能转化并以化学能形式贮藏在动物、植物、微生物体内的能量。生物质(biomass)本质上是由绿色植物和光合细菌等自养生物吸收光能，通过光合作用把水和二氧化碳转化成碳水化合物而形成。一般说，绿色植物只吸收了照射到地球表面的辐射能的0.53.5。即使如此，全部绿色植物每年所吸收的二氧化碳约71011t，合成有机物约5
36、1011t。因此生物质能是一种极为丰富的能量资源，也是太阳能的最好贮存方式。,生物质能可以说是现代的、可再生的“化石燃料”，可为固态、液态或气态。它储量大，使用普遍，含硫量低、充分燃烧后有害气体排放极低。因此，在世界能源结构中至今还占有十分重要的地位，尤其是在广大的农村和经济不发达的地区。,稻草、劈柴、秸秆等生物质直接燃烧时，热量利用率很低，仅15%左右，即便使用节柴灶，热量利用率最多也只能达到25%左右，并且对环境有较大的污染。目前把生物质能作为新能源来考虑，并不是再去烧固态的柴草，而是要将它们转化为可燃性的液态或气态化合物，即把生物质能转化为化学能，然后再利用燃烧放热。,大规模利用生物质能
37、的构想,生物质能资源丰富、可再生性强，是一种取之不尽，用之不竭的能源。随着科学技术的发展，人类将会不断培育出高效能源植物、发现新的生物质能转化技术。生物质能的合理开发和综合利用必将对提高人类生活水平，为改善全球生态平衡和人类生存环境做出更积极的贡献。,风能（wind energy）,这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术，这也是一种可以再生的干净能源。随着风力发电技术的提高和市场的不断扩大，近年来风力发电增长迅速。单机容量不断扩大，国外有实力的企业正在开发35MW 机组，目前兆瓦机组已走向商业化。全世界风力发电装机容量到2000 年底已达到1765.2 万千瓦。德国居世界第一位，我国东南
38、沿海及西北高原地区（如内蒙、青海、新疆）也有丰富的风力资源，现已建成小型风力发电厂9 个，发电装机容量2 万千瓦。,风能的利用,风力涡轮机,地热能（terrestrial heat energy）,地壳深处的温度比地面上高得多，利用地下热量也可进行发电。在西藏的发电量中，一半是水力发电，约40%是地热电。西藏羊八井地热电站的水温在150左右。台湾清水地热电站水温达226。近年来发展最快的是中、低温地热的利用，可用于采暖、洗浴、医疗、旅游、种植业等。目前，全国已发现地热点3200 多处，打成地热井2000 多眼。地热能与地球共存亡，地热潜力不容忽视。,地热工厂,海洋能（ocean energy）
39、,在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动，站在海滩上，可以看到滚滚海浪，其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量总称海洋能。从20 世纪60 年代起法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建成潮汐能发电站。中国海洋能资源十分丰富，其中可开发的潮汐能就有2000万kW 以上。我国在东南沿海先后建成7 个小型潮汐能电站，其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具有代表性，它建成于1980 年，至今运行状况良好。,节能技术,现代社会是一个耗能的社会，没有相当数量的能源是谈不上现代化的。现代主要能源是煤、石油和天然气，它们都是短期内不可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。节能不是简单地指少
40、用能量，而是指要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗，这也是国民经济建设中一项长期的战略任务。,一个国家或一个地区能源利用率的高低一般是按生产总值和能源总消耗量的比值进行统计比较的，它与产业结构、产品结构和技术状况有关。和国际相比，我国的能耗比日本高4 倍，比美国高2 倍，比印度高1 倍。所以若能赶上印度的能源利用率，要实现生产翻一番，似乎不必增加能源消费量。,要实现国民经济现代化，既要开发能源，又必须降低能耗，开源节流并举，并且要把节流放到更重要的位置。,我国长期面临能源供不应求的局面，人均能源水平低，同时能源利用率低，单位产品能耗高。所以必须用节能来缓解供需矛盾，促进经济发展，同时也
41、有利于环境保护。因此节能是我国的一项基本国策。,根据国家能源委员会的预测，到2020 年，新型的节能车、新型的工业节能装置和热力系统，以及节约能源的部分基础设施将取代现存的能源设施。,京都议定书,京都议定书是关于减少温室气体排放的国际条约。它于2005年7月开始生效。在京都议定书生效前夕，国际社会特别注意可再生能源，尤其是风能的利用。当前，世界风电电价快速下降，巳日趋接近燃煤发电成本中国风电成本约在0、5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。,人类之所以特别重视新能源的开发，是因为传统的能源已经由于人类的肆意挥霍而面临枯竭！所以，开源还要节流！这不仅是能源的辩证法，也是一切开发工作的基本原则。,
