世界上新能源材料发展状况

能源与新能源材料，刘胜明博士西华大学材料科学与工程学院，能源概述，能源是什么？ 能源是指所有能源集中的能源体(煤石油等)和能源过程(风和潮汐等)，能够到达地球表面的称为地球上的能源。 能源是社会经济建设和提高人民生活水平的重要物质基础之一。 能源的分类，能源按利用程度分类：正常能源，如煤、石油、天然气、柴油、水力等新能源，如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物能等，还有其他核能。 根据能否再生，能够再生的能量不会因为自身的转换和人类的利用而变得越来越少。 例如，水能、风能、潮汐能、太阳能等非再生能源，石油、煤、天然气、核燃料等，随着人类的利用越来越少。 根据对环境的污染成分，清洁能源即环境没有污染或污染少的能源，例如太阳能、水能、海洋能等非清洁能源，即环境污染大的能源，例如煤、石油等。 能源发展经验的一些阶段从火的发现到18世纪产业革命柴草期18世纪中叶煤炭期蒸汽机构20世纪初石油期化石能源枯竭新能源期，二传统能源，煤炭，石油和天然气等是世界上最重要的三种化石燃料。 为什么我们把煤、石油、天然气称为化石燃料？化石这个词是什么意思？煤、石油、天然气之所以称为化石燃料，是因为它的形成经过了漫长的过程，这个过程经过了数亿年。 认识化石燃料，化石能源是指上古时代遗留下来的动植物遗骨在地层下经过数千年进化形成的能源。 煤(植物化石转化)、石油(动物转化)、天然气等。 化石能源是碳氢化合物或其衍生物。 从古生物化石中沉积的能量。 化石燃料不完全燃烧的话，会产生有毒气体，但是是人类不可缺少的燃料。 化石能源所含的天然资源有煤、石油和天然气。 1994年，世界化石燃料明确了可开采的储量，中东战乱中东巨大的石油储量以该地区为世界焦点，各主要石油消费国希望能够影响并控制该地区，经常发生冲突和战争。 最近的大规模战争，相信2003年3月英美联军攻击伊拉克，给予军队指令，尽快控制油田和油生产设施，将破坏降到最低。 另一场战争是在1990年1月的海湾(波斯湾)战争中，以美国为首的联合部队攻击伊拉克，将伊军驱逐出科威特。 我国能源结构以煤为主，能源是人类社会生存与发展的重要物质基础，是现代文明的三大支柱之一。 目前世界能源消费以煤、石油、天然气等矿物能源为主，不仅严重破坏生态环境，矿物能源不能再生，能源枯竭已成为共识。煤炭开采、海上石油开采平台、严重生态破坏、16、生态环境严重破坏： 1952年12月，伦敦烟酸雨河干涸，巨大能源危机：已开采800亿吨石油，以现在的开采速度， 地球上发现的1770亿吨石油储量只有50年，已经明确的173兆立方米天然气只能开采63年，9827亿吨煤还是300年到400年，铀的储量约为490万吨，钍的储量世界各国的水能开发也基本饱和，风力和太阳能还不能满足人类的巨大需求。 中国作为一个发展中国家，能源消费巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。 2009年，中国风力发电量达到25.8亿瓦，超过德国25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦的2020年，中国投入实现年发电量150亿瓦的风轮机，成为世界上最大的风力生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占中国电力消费量的1%。 为了缓和和解决能源危机，科学家提出了最好地利用资源和能源的技术和环境最小负担的技术。 新能源和新能源材料是两项技术的重要组成部分。 新能源的发展必须利用新的原理发展新的能源系统。 同时，新材料的开发利用必须实现新体系，提高其利用效率，降低成本。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。 三新能源、新能源、太阳能海洋能源的生物质能地热核能，人类需要新能源，太阳能、地球每年接受太阳的总能量为1.81018kWh，相当于全球能源消耗量的1.2万倍，没有污染，是永久能源。 但是，太阳向地球放射的能量密度低，只有1kW/cm2，也受到气候的影响。 太阳能的主要利用形态：1)热能的直接利用：例如利用镜面或反射槽将太阳光收集到收集器中，从中间介质吸热产生蒸汽，推进燃气轮机发电2 )光伏效应：太阳能电池。 太阳能的利用，真空管集热太阳能热水器“温室效应”，太阳能电池、太阳汽车、风力、太阳能在地上从约2%变为风力，世界风力发电电力预计达到11.3兆kW。 风力与风速密切相关，但风车材料很重要。 有2.5MW的风车，转子叶片直径为80m，包括传动箱总重量在内为30t的风车高度接近100米，材料为数百吨。 风车叶片具有足够的强度和抗疲劳性能，目前主要采用玻璃钢和碳纤维增强塑料，加强木材的发展。 海洋能源、潮汐的发生是地球在月亮和太阳引力的影响下引起的涨潮时海水被冲向岸边，退潮时再次回到海里，每天都有规律的往返运动。 受海岸和港湾地形的影响，海面的高度在高潮和最低潮有很大差异。 它既可以用来驱动机械装置，也可以用来发电。 世界上最大的潮汐发电站，兰斯潮汐发电站位于法国大西洋的滨海圣马罗市附近，设置容量为240兆瓦，年发电量为5.44亿千瓦时，是目前世界上最大的潮汐发电站。 工程于1961年1月开始，1966年8月第一机组发电，1967年12月竣工。 LaRanceTidalPowerStation、中国最大的潮汐发电站、江厦潮汐发电站是中国目前能利用潮汐能发电的最大试验发电站。 该站位于浙江省温岭县乐清湾北端的江厦港。 电站的设计设备容量为3900千瓦，年发电量约为1000万千瓦。 1986年发电了。 江厦潮汐电厂、地热能源、计算表明，距地球陆地5公里以内，150以上岩石和地下水总含热量相当于9950万亿吨标准煤。 按照世界年消费量为100亿吨的标准煤计算，可以满足人类数万年的能源需求。 以地球储存的煤燃烧时释放的热量为基准计算，石油储存量约为煤的3%，现在可利用的核燃料储存量约为煤的15%，地热能总储存量为煤的1.7亿倍。 地球物质中放射性元素衰变产生的热是地热的主要来源。 目前，能够为人类开发利用的主要是地热蒸汽和地热水两种资源。 目前地热资源勘探深度可达地表以下5000m，其中2000m以下为经济型地热资源，2000-5000m为亚经济型地热资源。 从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热养殖和栽培约20%，地热采暖约13%，地热工业约2%。 利用地热能，占地面积小，无废渣、粉尘污染，综合利用使用后的水，可注入地下储层，达到增加压力，保护储层，保护地热资源的双重目的。 氢能、氢是理想的能源，热量高，无污染。存在问题：1)氢的来源只是在电解水、太阳能分解水、生物制氢、化工、冶金等工艺中制氢，需要消耗能量2 )在储存、运输和应用过程中易爆炸，使材料产生氢脆、氢腐蚀、氢泄漏等。 利用方式：1)直接燃烧2 )储氢：将材料和氢结合成氢化物，根据需要加热氢放出，放出后也继续充氢。 氢能的利用，美国加州州长施瓦辛格在新的“哈马”中加入氢能，氢能的利用，BMWh2r液氢动力实验赛车，生物能，如人畜粪便、秸秆、杂草、不能食用的果蔬等废弃物， 细菌发酵产生生物气体(甲烷占55%70%左右，二氧化碳占25%40%左右，并产生少量的氢、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等)，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不损害人类健康，可大幅度减少垃圾量。 核、铀在自然界有三种放射性同位素： U235、U238、U234在衰变过程中释放热量。 军事上铀主要用于制造核武器和核燃料。 作为核电站原子炉的燃料使用，发电成本低。 铀分裂时产生的同位素及其辐射在工农业生产和科技领域有着广泛的应用。 例如工业无损检测； 农业培育优良品种，防治病虫害的医学灭菌消毒、临床诊断和治疗等。 核聚变装置对材料要求非常严格，如抗中子辐射、抗高温、抗氢脆、四新能源材料40、新能源材料是新能源转化利用和新能源技术发展的重要材料， 以贮氢合金为代表的以贮氢材料锂离子电池为代表的以二次电池材料质子交换膜电池为代表的以燃料电池材料硅半导体为代表的太阳能电池材料铀、氘、 以氚为代表的核反应堆原子能材料- -主要特征新能源材料可以将原能转化为新能源的新能源材料可以提高储能效率，有效进行能源转化的新能源材料可以增加能源利用的新途径内蒙古四王子旗太阳能电池电厂、太阳能热水器、储氢材料、氢能是人类未来的理想能源。 氢能热值高，如燃烧1kg氢气会产生1.4105kJ的热量，富含相当于3kg汽油或焦炭4.5kg发热量的资源，地球表面有丰富的水资源，水中氢含量达到11.1%，清洁清洁，燃烧后生成水，不会产生二次污染氢能的开发利用已经成为世界特别关注的技术领域。 氢能利用的关键是高密度安全储藏和运输技术。 氢密度小，单位重量体积大。 目前市售的氢气一般在150大气压下储存在储气瓶中，氢气的重量不到储气瓶重量的1/100，有爆炸的危险，很不方便。 为了解决贮氢和运输问题，人们开发了相应的贮氢材料。 主要包括活性炭、无机化合物、有机化合物和合金化合物四种贮氢材料。 常用高压氢气瓶，不同贮氢方式的比较气贮氢：能量密度低、不安全的液化氢贮藏：能量消耗高、罐隔热性能要求高固体氢贮藏的优点：体积氢贮藏容量高、高压和隔热容器安全性高、无爆炸危险时可得到高纯度氢，氢的附加价值高活性炭原料易于获得，贮氢和释氢操作简单。 富勒烯(C60 )和碳纳米管(CNT )对氢有很强的吸附作用。 单壁碳纳米管的储氢量高于活性炭，H2吸附量可达5%-10% (质量百分比)，有望成为下一代储氢材料。 富勒烯C60、碳纳米管47、无机化合物储存氢，某些无机化合物与氢发生化学反应储存氢，在一定条件下分解释放氢。利用碳酸氢盐和甲酸盐的相互转换，贮氢和释氢反应以活性炭为载体，在Pd和PdO的催化作用下，以KHCO3和NaHCO3为贮氢剂，贮氢量约为2% (质量百分比)。 该方法的优点是原料易得，贮藏方便，安全性好，但贮氢量少，催化价格高。 有机液体氢化物的储氢是通过储氢载体(苯或甲苯等)与H2的可逆反应而实现的，包括催化氢化反应和催化脱氢反应。 该方法贮氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论贮氢量分别为7.19%和6.18% (质量分数)，大于高压贮氢和金属贮氢的实际量。 贮氢载体苯和甲苯可回收利用，贮藏和运输安全方便。 催化加氢、催化脱氢装置和投资费用大，贮氢操作复杂。 合金化合物的贮氢、在一定温度和氢压力下可以多次吸收、贮藏、释放氢的合金称为贮氢合金。 氢原子容易进入金属晶格四面体或八面体的间隙，形成金属氢化物例如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等. 合金化合物中氢原子的占据： (a )四面体； (b )八面体、a、b、50、贮氢合金可以贮存比体积大1000-1300倍的氢，而且合金中贮存的氢显示出h和h的中间特性，结合力弱，金属氢化物受热时释放氢。 比较贮氢合金的贮氢量，发现贮氢合金材料达到了实用目的，贮氢量大，必须满足能量密度高的要求，贮氢和释氢速度快，氢化物生成热小； 分解适度：易活化、化学稳定性好、贮藏中安全无害的原料来源广泛，成本低廉。 贮氢合金材料主要为稀土类、镁镍类、钛合金类等。 许多金属氢化物的储氢量为1%-4% (质量百分比)，能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易于获得，安全可靠。 贮氢合金已成为各国积极开发的有前途的贮氢方法。 中国生产的稀土贮氢合金、稀土贮氢合金、LaNi5是稀土贮氢合金的典型代表，荷兰Philip实验室于1969年首次开发。 LaNi5在室温下与一定压力的氢反应可以形成氢化物。 LaNi5具有优异的储氢性能，块状LaNi5合金的储氢量约为1.4% (质量百分比)，适度平坦，易活化，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。 另外，LaNi5成本高，大规模的应用受到限制，因此替换LaNi5-xMx(M=Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R=Y、Gd、Nd、Th等)的多元合金正在发展。 用富含Ce的混合稀土类(Mm )代替La开发出廉价的MmNi5贮氢合金，开发出MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅维持了LaNi5的优异特性，而且贮氢量和动力学特性优于LaNi5 钛系贮氢合金，TiFe具有优异的贮氢特性，贮氢量约为1.75% (质量分数)，室温下的释氢压力约为0.1MPa。 价格低廉，具有实用价值。 TiFe的活化很困难，在450和5MPa的压力下必须活化的毒性很弱(特别是O2)，反复释放氢的话性能会下降。 为了改善TiFe合金的贮氢特性，用过渡元素(m )置换铁的一部分，形成tife1- ymy (m=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。 TiFe0.8Mn0.2在室温3MPa的氢压力下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，贮氢量达到1.9wt%。 镁系贮氢合金在300-400的高氢压下，Mg2Ni和氢生成Mg2NiH4，氢含量达到3.65wt%，理论贮氢量达到6%，但稳定性强，难以释放氢。 部分Mg被Ca和A1取代形成Mg2-xMxNi，氢比物质的解离速率比Mg2Ni增加40%以上，易于活化，具有良好的贮氢性能，性质稳定。 通过用过渡元素(m )置换Mg2Ni中的Ni的一部分，形成Mg2Ni1-xMx合金(M=V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，氢的吸放