化学与新能源材料一_化学与新能源

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化 学 与 新 能 源

姓名：欧阳世文 专业：包装工程 班级：1402班 14404200230

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化学与新能源

摘要：当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以，必须寻找新的能源。新能源有别于传统化石能源，具有清洁无污染、安全高效率等优点。而化学新能源是将化学能直接转化成电能，如锂离子电池、燃料电池、电化学电容器等，具有广阔的应用发展前景。本文就化学在氢能源、燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料中的研究和应用进行了述评与总结。

关键字：氢能源可燃冰塑料燃料电池储氢材料

1.引言新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等本文通过对化学在燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料中某些关键问题的应用和研究现状的介绍, 旨在希望理论化学在能源的存储与转换这个领域中得到更深入的应用。2.2.1 氢能源作为现有主要燃料的汽油和柴油，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的能源的同时人们期待的新的能源。氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点： 2.1.1.所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/L；在-252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为固态氢。2.1.2.所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，2 因此在能源工业中氢是极好的传热载体。2.1.3.氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。2.1.4.除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142.351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。2.1.5.氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。2.1.6.氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外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，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。2.1.7.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。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。2.1.8.氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。由以上特点可以看出氢是一种理想的新的能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：（1）.廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。（2）.安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢已和氧结合成 3 水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电分解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。2.2储氢材料氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体, 正引起人们越来越广泛的关注, 受到世界各国的高度重视。氢能应用的关键是氢的储运, 而储氢材料则是研究的焦点。美国能源部(DOE)关于储氢材料的应用标准为氢气储存的质量能量密度和体积能量密度应分别达到617wt%和62kgPm。根据氢与材料作用方式, 储氢材料可分为两类。一类是氢以化学吸附储存于材料之中, 这类材料储氢量大, 但脱氢较困难;另一类属物理吸附, 虽储氢能力有限, 但氢易于脱附。理想的储氢材料应是氢以分子状态吸附但吸附能应介于物理吸附与化学吸附之间。近年来, 关于储氢材料的研究层出不穷, 理论研究主要集中在金属氢化物、合金、金属有机骨架及一些新型储氢材料等。储氢的机理 H2在金属或合金的粉末表面吸附，H-H键断裂，H原子侵入到金属原子之间的间隙，形成固溶体，H由外向内进一步扩散，形成饱和固溶体，与剩余H2形成金属氢化物。化学储氢材料：金属氢化物储氢材料，典型的例子是MgH2 , 其理论储氢容量高达717wt% , 且镁的价格低廉, 储量丰富。直接应用MgH2 的主要障碍是脱氢温度高、速度慢。稀土金属合金是较有前途的合金储氢材料, 具有单位体积内高的氢储存容量以及在温和条件下吸附氢的能力。这些合金材料中氢的吸附和脱附性质依赖于 4 合金组成和金属与氢的相互作用。一般来说, 这些合金材料结构较为复杂, 容纳氢的能力取决于多种因素, 如合金中空隙的大小和形状、空隙周围原子的化学性质、氢和配位原子的距离等。Li2N2H 化合物是一种新颖且有前途的具有高质量密度的储氢材料, LiNH2 的分解需要较高的温度。实验表明用Mg 部分替代Li 可降低分解温度。Zhang 等用 PBE 泛函比较研究了LiNH2 和部分Li被K 或Mg 取代后的体系。结果分析揭示, Li 被取代后, 改变了金属与氮成键强度, 使得N-H键减弱。Mg 的影响较K 更为显著, 从微观层次上阐明了实验事实。2.3燃料电池从本质上讲，它是一种电化学的发电装置，等温地按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，因此正在成为理想的替代能源。燃料电池的演化过程 2.3.1燃料电池的演化过程燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，一铂黑为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，奥斯卡尔德等人在探索燃料电池发电过程的实验都因为反映速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展。直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特一惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。2.3.2 燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种能量转化装置，它就是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为 5 电能，因而实际过程是氧化还原反应。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。因此，燃料电池的基本结构与电解水装置是相类似的，它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等类型。燃料电池的工作原理如下(以磷酸型或质子交换膜型为例)：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子；(3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；(4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水；与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。(2)1．3 燃料电池的特点由上所述可知，燃料电池在本质上是电化学转化装置，它能够通过电化学过程直接将化学能转化为电能和热能，因而具有如下优点：1)干净清洁。利于环保，可减少二氧化碳的排放；无噪音，并自给供水；2)高效。由于其转化过程没有经过热机过程，因此效率高。3)适用性。由于污染小，无噪音，可靠，可使用于终端用户，因而可减少各种损失，并节省设备投资。4)可调制性。由于它是组合的结构，因而可以调节，以满足需求。5)燃料多样性。由于燃料可以是氢气、天然气、煤气、沼气的功能碳氢化合物燃料。基于以上特点。燃料电池成为绿色能源技术发展的重点。成为本世纪最有发展前途的技术之一。2 国内外燃料电池的最新进展(3)碱性燃料电池（AFC）AFC技术是第一代燃料电池技术，已经在20世纪60年代就成功地应用于航天飞行领域。它是最早开发的燃料电池技术。目前德国一家公司开发的 AFC 在潜艇动力实验上获得了成功。国内对 AFC 的研究工作是从20 世纪60年代开始的，主要是集中在中科院的下属研究机构。武汉大学和中科院长春应化所在上世纪60年代中期即开始对AFC 进行基础研究。上世纪70年代，由于 6 航天工业的需求，天津电源研究所研制出lkW AFX2系统。与此同时，A 型号(即以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂)、B 型号(即以N2H4分解气、空气氧为燃料和氧化剂)燃料电池系统也在中科院大连化物所研制成功。此外，其它的研究机构也都展开了对AFC 的研究。(4)磷酸型燃料电池（PAFC）PAFC也是第一代燃料电池技术，也是目前最为成熟的应用技术。已经进入了商业化应用和批量生产。目前美国、日本、欧洲各国已有100多台200KW 发电机组投入使用或在安装中，最长的已经运行了37000小时。因此已经证实了 PAFC 是高度可靠的电源。只是由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。国内对 PAFC 的研究工作相对较少。尽管如此，在对 PAFC 的研究过程中仍进行了卓有成效的工作，取得了不俗成绩。如国内学者魏子栋等人在对氧化还原发应的电催化剂研究过程中发现了Fe、Co 对Pt 的锚定效应。(5)熔融碳酸型燃料电池(MCF℃)MCFC 是属于第二代燃料电池技术。目前对MCF℃的研究国家有美国、日本和西欧，主要是应用于设备发电，目前还处于试验阶段。美国对MCFC 的研究单位有国际燃料电池公司和能源研究公司及M—C 动力公司。而日本对 MCFC 的主要是 NEIX)公司、电力公司、煤气公司和机电设备厂商组成的 MCFC 研究开发组。大坂工业技术研究所从1991年开始10kW 的 MCFC 单电池的长期运行试验，到1995年 l1月止，累计运行了4万小时，确证了 MCFC 实用化的可能。德国MTU 宣布在MCFC 技术方面取得了突破。由该公司开发出来的世界上最大的280kW 的单电池还在运行。国内对 MCFC 的研究是中科院大连化物所从 1993年开始的。现在正处于组合电池的研究阶段。而经过多年的艰苦努力与创新突破，上海交通大学科研人员率先在国内成功进行了1～1．5l 的熔融碳酸型燃料电池(M ℃)发电实验，取得了在国外一些国家至少需要6年甚至10年左右时间才能获得的成果。参加项目评审的专家认为，它整体水平达到了当前国内领先水平、国际20世纪90年代初同类技术的先进水平。2.3.4 质子交换膜型燃料电池系统(PEMF℃)PEMFC 是属于第三代燃料电池技术。20 世纪60 年代，美国就已将PEMFC 应用于宇航飞行，但由于技术问题，使得在其发展过程中受到了影响。直到20 世纪80 年代，加拿大Ballad 公司才展开对 PEMFC 的研究工作。并取得了突破性进展。目前开发出来的电池组合功率达到了 7 1000W／L、700W／kg 的指标，因此这一技术引起了各国的广泛关注。目前Ballad 公司在这一技术领域处于领先地位。2.4可燃冰——人类能源的新希望可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80% 99.9% 1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180亿吨，可满足美国105年的天然气消耗；日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。据专家估计，全世界石油总储量在2700亿吨到6500亿吨之间。按照目前的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。可燃冰的发现，让陷入能源危机的人类看到新希望。重大战略意义下的联手勘测今年6月2日，26名中德科学家从香港登上德国科学考察船“太阳号”，开始了对南海42天的综合地质考察。通过海底电视观测和海底电视监测抓斗取样，首次发现了面积约430平方公里的巨型碳酸盐岩。中德科学家一致建议，将该自生碳酸盐岩区中最典型的一个构造体命名为“九龙甲烷礁”。其中“龙”字代表了中国，“九”代表了多个研究团体的合作。同位素测年分析表明，“九龙甲烷礁”区域的碳酸盐结壳最早形成于大约4.5万年前，至今仍在释放甲烷气体。中方首席科学家、广州海洋地质调查局总工程师黄永样对此极为兴奋，他说，探测证据表明：仅南海北部的可燃冰储量，就已达到我国陆上石油总量的一半左右；此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面积5242平方公里，其资源估算达4.1 万亿立方米。我国从1993年起成为纯石油进口国，预计到2010年，石油净进口量将增至约1亿 8 吨，2020年将增至2亿吨左右。因此，查清可燃冰家底及开发可燃冰资源，对我国的后续能源供应和经济的可持续发展，战略意义重大。黄永样介绍，在未来十年，我国将投入8.1亿元对这项新能源的资源量进行勘测，有望到2008年前后摸清可燃冰家底，2015年进行可燃冰试开采。战略性与危险性共同打造的“双刃剑”迄今，世界上至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。1960年，前苏联在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50.17亿立方米。美国于1969年开始实施可燃冰调查。1998年，把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划，计划到2015年进行商业性试开采。日本关注可燃冰是在1992年，目前，已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价，钻探了7口探井，圈定了12块矿集区，并成功取得可燃冰样本。它的目标是在2010 年进行商业性试开采。但人类要开采埋藏于深海的可燃冰，尚面临着许多新问题。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10 20倍。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏。另外，陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。由此可见，可燃冰在作为未来新能源的同时，也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”，需要小心对待。3.总结通过以上研究及讨论，化学新能源在理论研究和实际应用上是非常深入的，当然也还存在尚未解决的问题。就中国而言，由于中国新能源等新兴产业方兴未艾，产业前景还是十分诱人的。我国正在制定的新能源发展规划，将把新能源放在战略地位，加强新能源的技术研发，大力增加对新能源产业的投资、创新体制、进新能源的发展。按照规划，到2020年，中国在新能源领域的总投资将超过3万亿元。其中，核电、风电、太阳能发电成为新能源振兴规划的重点发展领域。依此对照，国内新能源产业发展空间巨大。9 【参考文献】： 1.氢能源研究现状——《化学时刊》22卷10期（2008、10）

2、王艳辉、吴迪镛、迟键：氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势

3、吴承康、徐建中、金红光：能源的发展战略研究4、2009/2012年氢能源行业发展前景分析及投资风险预测报告第一章全球氢能源行业发展分析

5、毛宗强：氢能-21世纪的绿色能源，2005[2]科技部：‘973’科技攻关基础研究计划

6、刘江华、方新湘、周华：我国氢能源开发与生物制氢研究现状

7、穆亚玲、王香爱：氢能源研究现状

8、刘江华.氢能源-未来的绿色能源.9、土恒秀，李莉，李晋鲁等.一种新型制氢技术.10、潘健民, 魏运洋, 李永峰, 徐菁利.氢能的重要性和制氢方法浅析

11、《新能源与可再生能源概论》苏亚新化学工业出版社 2006-0312、《新能源与可再生能源技术——21 世纪能源与动力》李传统 2005-9-113、《新能源概论》王革华化学工业出版社 2006-0814、《石油的色彩》(美)迈克尔·埃克诺米迪斯石油工业出版社 2002-0115、《性能源：后石油时代的必然选择》钱伯章化学工业出版社 2007-516、德国新能源发展对中国的战略启示.黄玲,张映红.资源与产业.2010.6.17、理论化学与新能源.陈兆旭,黄玉成,李哲,康国俊.化学进展.2009.11.18、冯世良.中国石油和化工经济分析.2007.