《新能源材料与器件》课件-任务1 氢能材料的基本原理

模块三

氢能材料与器件任务1氢能材料的基本原理知识目标:1.理解氢能的基本概念、生产和利用流程。2.学习电化学基本原理及其在催化中的应用。能力目标:能够分析不同氢能材料在生产、存储和使用中的优势与劣势。

素质目标：1.培养创新意识：鼓励学生探索未知领域，开发新的氢能材料和催化剂。2.提高科学素养：理解基本的科学原理，能够进行科学思维和批判性分析。3.增强环保意识：理解氢能在可持续发展和环保中的重要性，培养社会责任感。

任务1氢能材料的基本原理

氢能以其独特的优点而被广泛应用于现代高科技，如航天器、导弹、火箭、汽车等方面。

氢位于元素周期表第一位，原子序数为1，是自然界存在最普遍的元素。氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的燃料。氢能材料的基本原理1.氢能的概述？什么是二次能源

自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行。以氢为燃料的燃料电池也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。氢能材料的基本原理1.氢能的概述

我国氢能的利用氢能材料的基本原理1.氢能的概述氢能源的特点：①除核燃料外，在所有化石、化工及生物燃料中氢的发热值是最高的，为120MJ/kg，是汽油发热值的3倍。②氢燃烧性能好，在空气中可燃范围广，而且燃点高、燃烧速度快。③氢本身无毒，且燃烧时最清洁，不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质。④氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。⑥氢可以以气态、液态或固态的氢化物形式出现，能适应储运及各种应用环境的不同要求。氢能材料的基本原理1.氢能的概述氢能的缺点是？氢能源目前正处于技术开发阶段。氢能研究与开发的关键主要是氢的生产、储存、运输和使用等方面的技术。氢能材料的基本原理1.氢能的概述

1）利用氢和氧化剂发生反应放出的热能；（如燃料燃烧）氢能的利用氢作为能源利用包括以下三个方面：2）利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；（如燃料电池）3）利用氢的热核反应释放出的核能。（如氢弹）氢能材料的基本原理1.氢能的概述氢能是什么？氢能材料的基本原理1.氢能的概述氢能材料的基本原理2.电化学催化电化学反应原电池电解池氢能材料的基本原理2.电化学催化电化学反应直接反应：电极直接参加电化学反应，并有所消耗(阳极溶解)或生长(阴极电沉积)，多属于金属电极过程；间接反应：电极本身并不直接参加电极反应和消耗（惰性电极或不溶性电极），但对电化学反应的速度和反应机理有重要影响，这一作用称为电化学催化。

电催化概念及特点电催化作用：在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物（电活性的、非电活性的）能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修饰物本身不发生变化的化学作用。本质：通过改变电极表面修饰物（或表面状态）或溶液中的修饰物来大范围的改变反应的电势或反应速率，使电极不仅具有电子传递功能，还能对电化学反应进行促进和选择。电催化剂：电极本体，或构成电极反应表面的其它材料（电极仅作为电催化剂的基体）

如：新型表面合金电催化剂技术，在碳基底表面形成纳米材料层，对涉及电化学还原的有机合成反应具有效率高、选择性好，显著降低能耗的特点。

氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化概念及特点特点：①电催化的反应速率不仅由催化剂的活性决定，而且还与电场及电解质的本身性质有关；②由于电催化反应电场强度很高，对参加电化学反应的分子或离子具有明显的活性作用，使反应所需的活化能大大降低，因此电催化可在比常规化学反应低得多的温度下进行；③电催化反应过程中，由于电极催化作用发生了电极反应，使化学能直接转变成电能，并最终输出电流；④电催化反应过程一般包含两个以上的连续步骤，且在电极表面上会生成化学吸附中间物。

氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化与常规化学催化及电化学反应的区别常规化学催化：反应物和催化剂之间的电子传递在限定的区域内进行，反应过程中既不能从外电路送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流电子的转移过程无法从外部加以控制反应主要以反应的焓变化为目的电极催化反应：有纯电子的转移电极作为非均相催化剂，既是反应场所，又是电子供-受场所，即电催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能反应过程可以利用外部回路来控制超电压，从而使反应条件，反应速度比较容易控制反应输出的电流可以作为测定反应速率快慢的依据氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化与常规化学催化及电化学反应的区别电催化与电化学：电催化反应是在电化学基础上，在电极上修饰表面材料及催化材料来产生有强氧化性的活性物种，从而提高其降解有机物的能力。电化学反应只是简单的电极反应，处理效率明显比电催化反应低。氢能材料的基本原理2.电化学催化氢能材料的基本原理2.电化学催化什么是催化剂？活化能活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子所需的最小能量。化学反应速率与其活化能的大小密切相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。如图所示，催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质，催化剂在化学反应中引起的作用叫催化作用，催化剂加快反应是由于它的参与降低了反应过程的活化能。氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化的类型A.氧化—还原电催化

电催化氧化—还原电催化（媒介体电催化）非氧化—还原电催化（外壳层催化）在催化过程中，固定在电极表面或存在于电解液中的催化剂本身发生了氧化—还原反应，成为底物的电荷传递的媒介体，促进底物的电子传递。

氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化的类型优良的电子传递媒介体应具有：⑴一般能稳定吸附或滞留在电极表面；⑵氧化—还原的势电位与被催化反应发生的势电位相近，而且氧化—还原电势与溶液的pH值无关；⑶呈现可逆电极反应的动力学特征，氧化态和还原态均能稳定存在；⑷可与被催化的物质之间发生快速的电子传递；⑸一般要求对O2惰性或非反应活性。氢能材料的基本原理2.电化学催化电催化的类型B.非氧化—还原催化固定在电极表面的催化剂本身在催化过程中并不发生氧化—还原反应，当发生的总电化学反应中包括旧键的断裂和新键的形成时，发生在电子转移步骤的前后或其中，而产生了某种化学加成物或某些其他的电活性中间体，总的活化能降低。包括：贵金属及其合金，欠电势沉积吸附的原子和金属氧化物。氢能材料的基本原理2.电化学催化影响电催化性能的因素A.电催化剂必须具备的性能

⑴催化剂有一定的电子导电性：至少与导电材料充分混合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子通道，即电极材料的电阻不太大。⑵高的催化活性：实现催化反应，抑制有害的副反应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地中毒失活。⑶催化剂的电化学稳定性：在实现催化反应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而“过早地”失去催化活性。氢能材料的基本原理2.电化学催化影响电催化性能的因素B.电催化活性的主要影响因素

⑴催化剂的结构和组成

催化剂能改变电极反应的速率，由于催化剂和反应物之间存在的某种相互作用改变了反应进行的途径，降低了反应的超电势和活化能。催化反应发生在催化电极/电解液的界面，即反应物分子必须与催化电极发生相互作用，相互作用的强弱主要决定于催化剂的结构和组成。过渡金属及其一些化合物是最可能的电催化剂，其活性依赖于电催化剂的电子因素（即d%的特征）和吸附位置的类型（几何因素）。氢能材料的基本原理2.电化学催化影响电催化性能的因素B.电催化活性的主要影响因素

⑵催化剂的氧化—还原电势

催化剂的活性与其氧化—还原电势密切相关。对于媒介体催化，催化反应是在媒介体氧化—还原电势附近发生的。一般媒介体与电极的异相电子传递很快，则媒介体与反应物的反应会在媒介体氧化—还原对的表面式电位下发生，这类催化反应通常只涉及单电子转移反应。氢能材料的基本原理2.电化学催化影响电催化性能的因素B.电催化活性的主要影响因素

⑶催化剂的载体对电催化活性有很大影响

电催化剂的载体包括：基底电极（贵金属电极、碳电极）、将电催化剂固定在电极表面的载体。载体的作用:a.仅作为一种惰性支撑物，催化剂负载条件不同只引起活性组分分散度的变化；

b.与活性组分存在某种相互作用，修饰了催化剂的电子状态，可能会显著地改变电催化剂的活性和选择性；

(4)电催化剂的表面微观结构和状态、溶液中的化学环境等

氢能材料的基本原理2.电化学催化目前国际氢生产的主要来源分布情况如图，目前全球氢产量约5000万吨/年，并且以每年6%~7%的速度在增长。而目前商业用的氢大约有96%是从煤、石油和天然气等化石燃料中制取的。我国制氢原料中，化石燃料占比高于世界的比重。氢的主要来源分布氢能材料的基本原理3.氢的制取制氢方法与技术包括可再生及不可再生能源制氢技术及工艺。制氢方式与技术工业化氢技术仍以煤的蒸汽重整和石油、天然气的部分氧化重整为主。其中蒸汽重整法是当前最为经济的方法，被用于集中式大规模制氢在美国和欧洲，石油和天然气的重整制氢占到90%以上。这种制氢技术的研究重点是提高催化剂的寿命和热的优化利用两个方面。氢能材料的基本原理3.氢的制取3.3.1化石燃料制氢以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今最主要的制氢方法。主要用途：作为化工原料，如生产合成氨、合成甲醇等；含氢气体产物亦作为气体燃料供城市煤气。（1）以煤为原料制取氢气以煤为原料制取含氢气体的方法：煤的焦化（或称高温干馏）：煤在隔绝空气条件下，在900-1000°C制取焦碳，副产品为焦炉煤气。煤的气化：煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。

氢能材料的基本原理3.氢的制取3.3.1化石燃料制氢（2）以天然气为原料制取氢气该法是在有催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应：

CH4+H20→CO+H2

CO+H20→C02+H2

CnH2n＋2+nH20→nCO+（2n+1）H2

特点：反应在800一820°C下进行；制得的气体组成中，氢气含量可达74％（体积）；其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。氢能材料的基本原理3.氢的制取（3）以液体化石能源为原料制取氢气液体化石能源原料包括常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油。原料与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物。该法生产的氢气产物成本中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。

我国建有大型重油部分氧化法制氢装置，用于制取合成氨的原料。氢气氨分解炉3.3.1化石燃料制氢氢能材料的基本原理3.氢的制取3.3.2生物及生物质制氢生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。（1）生物质气化制氢将生物质原料如薪柴、锯未、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料气。

（2）微生物制氢利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。氢能材料的基本原理3.氢的制取3.3.3太阳能光解水制氢光催化制氢的原理氢能材料的基本原理3.氢的制取以水为原料的制氢方法有：电解法制氢---是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75~85%，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。光化学制氢--是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法。光催化过程是指含有催化剂的反应体系，在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。热化学制氢---是在水反应系统中加入一中间物，经历不同的反应阶段，最终将水分解为氢和氧，中间物不消耗，各阶段反应温度均较低。氢能材料的基本原理3.氢的制取氢能材料的基本原理3.氢的制取