化学与能源

1. 化学与能源

2. 一、能源的分类

3. 一次能源：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源。一次能源：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源。 • 二次能源：由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。 • 常规能源：即传统能源，已经大规模生产和广泛利用的能源。 • 新能源：以新技术为基础，系统开发的能源。

4. 常见的能源 • 太阳能 • 化石能源 • 水能 • 风能 • 潮汐能：海水潮流运动的能量 • 海洋能：潮汐能、波浪能、海流能、温差能 • 地热能：地球内部释放到地表的能量 • 生物质：燃烧植物体放出热能 • 核能（原子能） • 氢能 可再生能源：水力、风力、太阳能、生物质能、热地等。

5. 二、化石能源

6. 1、石油 石油的形成：石油是由古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下经过非常复杂的化学变化而形成的各种烷烃、环烷烃和芳烃组成的混合物。石油所含的基本元素是碳和氢(达97％—98％)，同时含少量硫、氧、氮等元素。 石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。

10. 原油加工示意图

11. 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(2，2，4一三甲基戊烷)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入法是在汽油中添加少量抗震剂—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[CH3—O—C(CH3)3 ，又名MTBE ]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。

12. 2、煤

13. （1）煤的干馏

14. （2）煤的气化

15. （3）煤的液化 • 煤与有限的热空气和水蒸气反应生得到主要成分为CO和H2的混合气体，可以作为城市煤气的要。 煤炭液化油又叫人造石油。 方法一：直接液化法先裂解，再气化； 方法二：先气化（CO、H2等小分子），然后在一定温度、 压力和催化剂作用下合成各种烷烃、烯烃和乙醇、乙醛等。

16. （4）一碳化学

17. 3、天然气－－家庭用气体燃料 • 管道煤气由煤加工制得，液化气是石油炼制产物，天然气则能直接使用。家庭生活中，为什么要使用气体燃料呢？ • ① 因气体易扩散，故气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的能量利用率。 • ② 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。 • ③ 固体煤中含有硫、氮等杂质，直接燃煤、煤球或煤饼会产生大量二氧化硫、氮氧化物（NOx）、粉尘等，造成大气污染，住宅环境也烟灰满天，厨房空气的污染则更严重。

18. （1）主要成分 • 管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18% • 液化气又叫液化石油气，主要成分中C3、C4的烃是沸点较低的成分丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。 • 天然气的主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。

19. 三种气体燃料的热值大体为以下数值：

20. （2）爆炸极限 可燃气体爆炸极限宽度大的，容易发生爆炸。从表中可知，液化气、天 然气的爆炸极限较管道煤气各种成分的宽度要小，因而具有不易爆的特 点（注意：并非不会爆炸）。 例题：借助上表的数值，计算天然气爆炸最剧烈时，空气中含天然 气的体积分数（二位有效数字）。

21. 三、氢能源　 • 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

22. 氢能的利用 （1）直接燃烧 （2）燃料电池

23. 氢气作为能源遇到的两个问题 氢气的制备 氢气的储存

24. （一）氢气的制备 （１）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。

25. 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700℃～850℃，反应压力为3×105 Pa～2.5 ×105Pa。

26. 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

27. 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。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。

28. 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。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。

29. （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。

30. 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。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。

31. 氢气的储存

32. 含硼贮氢材料 • 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

33. 硼氢化合物贮氢

34. LiBH4分解制氢 Prof. A. Zuttel, Switzerland Univ Fribourg 450℃ 左右可以获得13.5 wt% H2

35. LiBH4分解制氢 强放热反应 可以获得13.6 wt% H2

36. NH3BN3分解制氢 120℃-300℃ 19.6 wt% H2 不足: NH3BH3制备成本偏高

37. BN纳米结构贮氢 B99N99 C186 nanotubes Atomic structure models

38. 近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达10%。近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达10%。

39. 四、太阳能 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。

40. 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。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。

41. 目前人类所能够使用的能源形式

42. （一）对太阳能的间接利用

43. （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。

44. 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。

45. 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。

46. 推进舱 通讯舱 轨道舱 附加舱 太阳能电池

47. 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）

48. 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：1997~2010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

49. 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

50. （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。