化学与能源 1

5化学与能源,一、我们所面临的能源状况,目前全世界使用的能源90%取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。,从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：石油：1万亿桶天然气：120万亿立方米煤炭：1万亿吨,按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：,储量有限的化石燃料,我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。,大庆油田,从1960年至2002年累计生产原油17多亿吨。27年稳产在5000万吨/年以上。1997年最高产量为5600万吨/年2002年为5013万吨/年2003年计划产量4830万吨/年进入递减开采期。化工报2003-1-18-1,据美国石油业协会估计，在2050年之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完；而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺。,太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。,二、能源之母太阳能,太阳光谱图,地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达172,500TW。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,美国科学美国人杂志在1971年7月刊刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下数据，到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：,太阳能能量流向示意图,（一）对太阳能的间接利用,（1）通过光合作用的形式利用太阳能,太阳能的间接利用,煤炭当代工业的粮食石油当代工业的血液天然气最清洁的化学能源可燃冰未来的新能源生物质能前景广阔的绿色能源,煤炭的结构,煤炭液化,煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。,煤炭直接液化:,煤炭间接液化:,煤炭,煤粉,油煤浆,加氢裂化,液体油品,煤炭、氧气、水蒸气,H2和CO的混合气体,石油的形成,石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。,水中生物的遗骸下沉而埋没于地下,因地热或地压等作用变成石油,石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,（二）太阳辐射能的直接利用,与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：（1）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”。（2）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。,1、对太阳能直接利用的形式,（1）对可见光的利用主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。,太阳能电池,太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。,推进舱,轨道舱,附加舱,通讯舱,太阳能电池,太阳能电池,按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划280M美国：19972010年百万屋顶计划3025MW发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,太阳能发电站,太阳能光伏发电系统主要由太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备等组成。太阳能发电站一旦建成，不需要运行投资即能运用,但初期投资较高。,加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能反射装置,（2）对红外线的利用,主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。,太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。低温热利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：空调制冷、制盐以及其它工业用热高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉,（3）对紫外线的利用,紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫外光的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347kJ/mol）、C-N（305kJ/mol）和C-S（259kJ/mol）键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。,（一）核裂变能,使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。,三、魔鬼与天使核能,要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。,链式反应,中子,鈾-235核分裂,（二）核聚变,太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。,核聚变的引发,和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。,所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6108k。,电池的分类：电池按照其使用性质的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大类。,四、化学电池实用的能源,原电池,锌锰干电池：负极是锌做的圆筒，正极是一根探棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。,蓄电池,蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。,内部构造,外部构造,锂电池,锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。,锂电池自行车,燃料电池,燃料电池(FuelCell，FC)是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。,燃料电池的种类,燃料电池按照电解质类型分为五种：,碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC),燃料电池的优点,(1)能量转换效率高(节省燃料资源)。,(2)污染小、噪声低。,(3)高度的可靠性,氢能源,氢能经济的背景,大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。,氢：储量大，分布广，清洁无污染,氢能社会构想,再生能源制氢,CO2处理,加氢站,燃料电池工厂,天然气制氢,电厂,终端用户,氢气作为能源遇到的两个问题,氢气的制备,氢气的储存,（一）氢气的制备,（）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物(煤、石油、天然气、生物质等)输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2和CH4等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。,甲烷重整制氢:CH4+H2O=3H2+CO这个反应是吸热反应，需要外部输入热量，反应温度大约700850，反应压力为3105Pa2.5105Pa。,反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器，经过水气置换反应，将CO转化为H2，提高了氢的产量。CO+H2O=H2+CO2重整制氢的能量转换效率可以达到75%80%，经济有效，如果将余热回收利用，效率可达85%以上,部分氧化制氢是将碳氢化合物部分氧化生成CO和氢的工艺。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水气置换反应，以提高H2的产量。最后再经过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。由于这个生产过程中也有CO2的排放，所以也是通向环保制氢的过渡。,利用煤和生物质等气化制氢是将这些物质在高温下裂解成合成气后进行水气转换等过程，提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。,（2）电解水制氢工艺,该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。,用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条具有十分诱人前景的途径。人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用将使这种想法成为可能，它完全抛弃了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。,拆开水分子所需要的能量足以摧毁任何生物分子，然而植物每天都在进行着这个反应而没有任何不良后果。,？,秘密存在于催化核心的结构中。植物进行光合作用离不开叶绿素，而叶绿素中对光合作用起关键作用的就是催化核心。催化核心是由4个锰离子、1个钙离子、4个氧原子和至少2个水分子组成的，其中3个锰离子、1个钙离子和4个氧组成一个扭曲立方体，锰离子和钙离子通过氧原子相连接。第四个锰离子位于立方体的外部，结合着1个水分子。这一发现对于了解和复制水裂解化学过程具有重要意义。,氢气的储存,硼氢化合物热分解制氢NH3BH3、LiBH4等水分解制氢NaBH4（SBH）等BN纳米结构材料硼促进贮氢材料,含硼贮氢材料,硼氢化合物贮氢,Prof.A.Zuttel,Swit