材料化学教案：第6讲 化学与能源

第 6 讲 化学与能源 1. 能源与社会进步 能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱，而能源又是材料和 信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火，通过燃烧把化学与能 源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化，创造 了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新 和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革。 1.1 能源的分类 能源（ energy source） 是指提供能量的自然资源。能源品种繁多，按其来 源可以分为三大类：一是来自地球以外的太阳能，除太阳的辐射能之外，煤 炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能；第二类来自地球本身， 如地热能，原子核能（核燃料铀、钍等存在于地球自然界） ；第三类则是由月 球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。其中，在自然界现 成存在， 可直接获得而无须改变其形态和性质的能源又称为 一次能源 (primary energy)，如煤炭、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。由一 次能源经过加工或转化成另一种形态的能源产品，如电力、汽油、柴油、煤 气等又称为 二次能源 (secondary energy)。能源的分类如表 1 所示。 表1 能源的分类 类 别 常规能源 新型能源 可再生 能源 水能 生物质能 （柴草、 植物秸杆等） 太阳能（发电、供热等） ；海洋能（温 差、波力、动力、潮汐等） ；风能（动 力、发电等） ；地热（热能、发电等） 一 次 能 源 非再生 能源 煤炭、 石油、 油页岩、 沥青砂、 天然气、核裂变燃料 核聚变能量 二次能源 煤炭制品（煤气、焦碳、水煤浆） 、石油制品（汽油、煤油、柴油和液 化气） 、电力、氢能、沼气、激光、等离子体和发酵酒精等 · 354· 第 8 章 现代化学的研究进展 根据消费后能否造成环境污染，又可将能源区分为污染型能源和洁净型 能源。如煤炭、石油等是污染型能源，而水力能、风能、氢能和太阳能等是 洁净型能源。 1.2 能源与社会进步 地球从太阳的辐射中获取光和热，这种光和热经植物的光合作用又被转 化为生物质 (biomass)的化学能。 埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用 转化为煤炭、石油和天然气等化石能源。江河湖海中的水，经日晒蒸发再凝 聚降落在高山丘陵之间形成水力能；空气经太阳光能加热，因密度差而形成 风能。所以可以说太阳能是地球上主要能源的总来源。 从火的发现到 18 世纪产业革命之间，树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一 直是人类使用的主要能源，这称为 柴草时期 。 18 世纪中叶，煤炭开始大规模开采。 1769 年詹姆士·瓦特 (James,Watt， 1736-1819)发明蒸汽机， 煤炭作为蒸汽机的动力之源， 完成了第一次产业革命， 使煤炭成为人类的主要能源，这称为 煤炭时期 。 20 世纪初，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然 气。石油的大量开采和炼油工艺的提高，使石油很快成为能源消费的主流， 这称为 石油时期 。 常规能源（如煤炭、石油和天然气）的燃烧将化学能转换为热能和光能， 同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在 燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃 料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度，因此化石 能源面临着被消耗殆尽的危险。 随着化石能源的枯竭，太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源 将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源，这是将要到来的 新能源 时期 。 第 6 讲 能源化学 · 355· 2. 化石燃料 (fossil fuel) 2.1 煤炭 coal （ 1）煤炭的组成与结构 煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约 10 12 t，中国约占 11%，仅次于俄罗斯和美国，处于第三位。煤炭既是重要的能源，也是重要的 化工原料。 煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混 合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单 元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃，及一些脂环烃和杂环化合物。结构 单元之间由氧桥及亚甲基桥联接，它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大 分子在三维空间交联成网络状结构，一些小分子以氢键或范德华力与其相连。 无机矿物被有机大分子所填充和包埋，形成复杂的天然“杂化”材料。 组成煤的主要元素有碳、氢、氧、氮和硫 , 它们占煤炭有机组成的 99%以 上。按其变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。不同 变质程度煤的元素组成和发热量范围如表 2 所示。 表2 煤的元素组成和发热量 煤种 C /% H /% O /% N /% S /% (总硫 ) 发热量 / （ MJ?kg -1 ） 泥炭 约 50 5.3～6.5 27～34 1～3.5 8～10 褐煤 50～70 5～6 16～27 1～2.5 10～17 烟煤 70～85 4～5 2～15 0.7～2.2 21～29 无烟煤 85～95 1～3 1～4 0.3～1.5 微量 ～10% 21～25 煤的无机组成主要包括水分和矿物质 (粘土、石英、硫化物、碳酸盐等 )。 它们在燃烧过程中，转化为灰分和粉尘引起环境恶化，并因分解吸热而降低 煤炭发热量。 煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占 70%） ，煤的年消费量在 10 亿 · 356· 第 8 章 现代化学的研究进展 吨以上，其中 30%用于发电和炼焦， 50%用于各种工业锅炉、窑炉， 20%用于 人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中 C、 H、 S 及 N 分别变成 CO 2 、 H 2 O、 SO 2 及 NO x ， 这样热利用效率并不高， 如煤球热效率只有 20%~30%； 蜂窝煤高一点，可达 50%，而碎煤则不到 20%。至于工业锅炉用煤的热效率 不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。 煤开采后应该就地进行筛分、破碎，洗选除去一些无用的杂质。随着机 械化采煤的发展，煤粉的比例提高，所以还应将煤粉在加压加温条件下成型 （球、棒、砖等） ，然后供应用户，以减少运输量，提高热效率。 直接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（ SO 2 ） ，氮的氧化物（ NO x ）等 是造成酸雨的罪魁，大量 CO 2 的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰 和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题，合理利用和综 合利用煤资源的办法不断出现和不断推广，其中最令人关心的一是如何使煤 转化为清洁的能源，即煤的洁净。二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原 料。 （ 2）洁净煤技术 洁净煤技术（ cleaning coal technology） 是旨在减少污染和提高效率的煤 炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化 和污染防治技术，是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术 领域， 14 个技术方面： 煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术； 燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术、 整体煤气化联合循环发电技术； 煤转化领域——气化与焦化、液化和燃料电池技术； 污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤 灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。 2.2 石油和天然气 petroleum & natural gas 石油有“工业的血液” 、 “黑色的黄金”等美誉，自 20 世纪 50 年代开始， 第 6 讲 能源化学 · 357· 在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫 长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之 为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。 石油是碳氢化合物的混合物，含有 1~50 个左右碳原子的化合物，按质量 计， 其碳和氢分别占 84%~87%和 12%~14%， 主要成分为直链烷烃、 支链烷烃、 环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外，石油中还含有少量由 C、 H、 O、 N 和 S 组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大，大约在 0%~7% 之间，主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式 存在。氮含量远低于硫，约为 0%~0.8%，以杂环系统的衍生物形式存在，如 噻唑类、喹啉类等。此外，石油中还含有其它的微量元素。 石油的成分十分复杂，在炼油厂，原油经过蒸馏和分馏，得到不同沸点 范围的油品，包括石油气，轻油（溶剂油、汽油、煤油和柴油等）及重油（润 滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等） 。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢 裂化等方法，可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂（铂系和钯系贵金属） 存在下，环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃（称之为重 整） 。 轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮， 可提高油品质量。 原油经过一系列炼制和精制，获得了各种半成品和组分，然后再按照用 途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类： 燃料（如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等）和化工原料等。 天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体，其成因和形成历史与 石油相同，二者可能伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大 概伴有 1000m 3 的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天 然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷 烃，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，碳原子数超过 5 的组分在地下高温环境 中，以气态开采出来，但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相 对分子质量的增大而下降，其中还含有 SO 2 、 H 2 S 及微量稀有气体。 · 358· 第 8 章 现代化学的研究进展 天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物 CO 2 和 H 2 O，都是无毒物质，并 且热值也很高（ 56kJ?g -1 ） ，管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的是 四川盆地， 20 世纪末和本世纪初，在陕、甘、宁地区的长庆油田和新疆的塔 里木盆地发现了特大型气田，目前正在开发建设中。目前，长庆油田的天然 气已经输送至北京、西安等地，塔里木盆地的天然气将“西气东输”至上海。 除北京、天津、西安等城市的部分居民已经使用管道天然气外， “西气东输” 经过的地区也将逐步使用管道天然气。 石油和天然气作为燃料在燃烧过程中也会产生 SO 2 和 NO x 等有害气体， 汽车尾气是氮氧化物的主要来源，对大气造成污染。石油和天然气脱硫、脱 氮一直是石油化学工业的重要研究内容。 2.3 可燃冰 combustible ice 可燃冰是天然气的一种存在形式，是天然气的水合物。它是一种白色固 体物质，外形像冰雪，有极强的燃烧力，可作为上等能源。天然气水合物由 水分子和燃气分子，主要是甲烷分子组成，此外还有少量的硫化氢、二氧化 碳、氮和其它烃类气体。在低温（－ 10℃ ~10℃）和高压（ 10MPa 以上）条件 下，甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质，具有极强的储载气体的能力。 这种天然水合物的气体储载量可达其自身体积的 100~200 倍， 1m 3 的固态水合 物包容有约 180m 3 的甲烷气体。这意味着水合物的能量密度是煤和黑色页岩 的 10 倍，是传统天然气的 2~5 倍。在海洋中，约有 90%的区域都具备天然气 水合物生成的温度和压力条件。目前公认全球的“可燃冰”总能量是所有煤、 石油、天然气总和的 2~3 倍。 天然气水合物是近 20 年来才被人们发现的，由于其能量高、分布广、埋 藏规模大等特点，正崭露头角，有可能成为本世纪的重要能源。全球天然气 水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料含碳总量的 2 倍，世界上绝 大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在海底之下 500m~1000m 的水深 范围以内。海洋里天然气水合物的资源量约为 1.8× 10 8 m 3 ，是陆地资源量的 100 倍。 第 6 讲 能源化学 · 359· 目前国际上已经形成了一个天然气水合物研究的热潮。美国、加拿大、 德国、英国、欧共体、日本等发达国家和组织从能源战略角度考虑，纷纷制 订了长远发展规划，深入开展了海底天然气水合物物理性质、勘探技术、开 发工艺、经济评价、环境影响等方面的研究工作，取得了多方面的成果。 据预测，我国 2010 年石油需求量约 2.5 亿 t，而我国石油工业在进入 20 世纪 90 年代后，老油区稳产难度增大，新油区生产不到位，故石油资源形势 严峻，出现了可采储量入不敷出，增产幅度不大的形势。我国已由石油输出 国转变为进口国，到 2010 年我国的石油缺口将达近 1 亿 t。随着国民经济的 持续快速稳定发展，我国能源需求与供应的紧张矛盾将长期存在，同时我国 能源储量的人均占有量也远低于世界人均占有量。因此，从保障 21 世纪经济 可持续发展的战略能源角度出发，把天然气水合物资源的研究、勘探和开发 纳入我国的能源发展和保障计划是十分必要和紧迫的。 3．化学电源 （ chemical mains） 化学电源即化学电池，是一种将化学能转变为电能的装置，通称电池， 主要分为一次电池（干电池） 、二次电池（蓄电池）和燃料电池。这里重点介 绍燃料电池。 早在 1839 年，英国人 格罗夫（ W． Grove） 首先用铂黑为电极催化剂 制成了氢氧燃料电池，并把多只电池串联起来为电源，点亮了伦敦讲演厅的 照明灯。过了 100 多年，直到 20 世纪 60 年代，燃料电池才在美国太空总署 (NASA)的阿波罗太空飞行计划中首次得到实质性应用。当时美国通用电气公 司为阿波罗太空飞船设计了称之为 Gemini 的燃料电池动力系统，它采用海绵 状的薄膜聚合物作为电池的电解液。尽管这种燃料电池具有非常理想的比功 率，但价格十分昂貴，所以在较长时间内未能得到广泛应用。 当代，美国、日本和欧洲都在拟定开发燃料电池的计划。国际燃料电池 公司在纽约已建成一个功率为 4.8 兆瓦的燃料电池电力站，它用磷酸为电解 质，用天然气或石脑油为燃料，用高温水蒸气与燃料反应生成氢和一氧化碳 的反应气后进入电池。日本在 1990 年前已经投资了 170 亿日元，用于燃料电 · 360· 第 8 章 现代化学的研究进展 池电力站的研究开发。 现有燃料电池除碱性氢氧燃料电池、磷酸型燃料电池外，还有高温固体 氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、醇类燃料电池等，在电力站开发、 航天飞船、军用、驱动电力车等众多方面有很好的发展前景，我国政府已经 宣布到 2008 年奥运会时，将在北京和上海的公交车上全面采用燃料电池作为 动力系统。 无论是哪种电池，在设计时必须满足许多条件，主要有：①能量转换的 速率大，以保证较大的电流；②电池活性物质的化学能不通过外电路的自放 电要小；③较高的电动势；④电池容量大；⑤能在较宽的温度范围内正常工 作。此外，材料还要价廉、安全、无毒等。 燃料电池比其它电池能更好地满足上述条件，而表现出其突出的优点。 无论与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，还是与以往的一次、二 次电池的化学电源相比，燃料电池都具有无可比拟的特点和优势。在研究和 比较各种电力生产方法之后 , 科学家预言燃料电池将成为下个世纪世界上获 得电力的重要途径。因为燃料通过电池的方法来产生电力有许多优点： 能量转化效率高 火力发电受热机卡诺循环效率的制约，转换效率最高 只有 35%左右，能源浪费严重；其它物理电池，如温差电池的效率为 10%， 太阳能电池的效率为 20%。但燃料在燃料电池中，可连续和直接地把化学反 应中产生的化学能转换成电能，它的能量转化在理论上可达 100%，在实际中 最高可达 80 %。 环境友好 火力发电产生大量的烟雾、尘埃及有害气体而污染环境。而 燃料电池排泄物一般仅为水和二氧化碳，它作为大、中型发电装置使用时， 与火力发电相比，突出的优点是减少大气污染（见表 3） 。 表3 燃料电池与火力发电的大气污染情况比较（单位：kg?10 -6 (kWh) -1 ） 污染成分 天然气火力发电 重油火力发电 煤火力发电 燃料电池（试验型） SO 2 NO X 烃类 尘末 2.5~230 1800 20~1270 0~90 4550 3200 135~5000 45~320 8200 3200 30~10 4 365~680 0~0.12 63~107 14~102 0~0.014 第 6 讲 能源化学 · 361· 另外，燃料电池不需传送机构，没有磨损和噪音。这使它特别适合于军 事目的。 高度的可靠性 燃料电池具有常规电池的积木特性，即可由若干个电池 串联、并联的组合方式向外供电。所以，燃料电池既适宜于集中发电，也可 以做成各种规格的分散电源和可移动电源。它的可靠性还在于，即使处于额 定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受而效率变化不大，当 负载有变动时，它也能快速作出响应。 比重量或比功率高 同样重量的各种发电装置，燃料电池的发电功率更 大。 适应能力强 燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，包括火力发电厂 不宜使用的低质燃料。既可用于固定地点的发电站，也可用作汽车、潜艇等 交通工具的动力源。 4 新能源 新能源 (new energy)指以新技术为基础， 系统开发利用的能源， 包括核能、 氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等。其中最引人注目的是 太阳能的利用。下面对各种新能源做一简单介绍。 4.1 核能 (nuclear energy) 核能也称为 原子能（ atomic energy） 。原子能的可能释放模式为：原子核 的衰变、原子核的裂变和原子核的聚变。 原子能的研究成果，不幸首先用于战争，危害人类自身。但二次大战结 束后，科技人员很快致力于原子能的和平利用。 1954 年前苏联建成世界上第 一座核电站，功率为 5000kW。至今世界上已有 30 多个国家 400 多座核电站 在运行之中，世界能源结构中核能的比例正在逐渐增加。 · 362· 第 8 章 现代化学的研究进展 图1 中子诱发U-235裂变形成链式反应 利用中子激发所引起的核裂变， 是人类迄今为止大量释放原子能的主要形 式。 如果 1kg 的 U-235 原子核全 部裂变，它放出的能量就相当于 2500 t 优质煤完全燃烧时放出的 化学能。 U-235 核裂变时，同时 放出中子，如果这些中子再引起 其它 U-235 核裂变， 就可使裂变 反应不断地进行下去，这种反应 就是我们在 5.4 节中所讲的链式 反应，如图 1 所示。 如果人们设法控制在链式 反应中中子的增长速度，使其维持在某一数值，链式反应就会连续地缓慢地 放出能量，这就是核反应堆或核电站的工作原理。核电站的中心是核燃料和 控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是 用能吸收中子的材料制成的，如硼（ B） 、镉（ Cd） 、铪（ Hf）等是合适的材料。 利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度。 U-235 裂变时所释放的能 量可将循环水加热至 300℃，高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是一 种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤 炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前 电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行， 二是核废料的处理。 世界上曾接二连三地出现过反应堆或核电站“失控”事故。 1979 年 3 月 28 日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵，使堆心部分 过热，致使部分放射性物质逸入大气。但事故得到及时处理，没有引起爆炸， 对人伤害不很严重，只是核电站受到一定程度的破坏。 1986 年 4 月 26 日在前 苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛 烈爆炸，反应堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜伤亡 惨重。目前，我国已经运行的核电站有浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站， 它们均采用世界上流行的压水堆技术。 近年来我国正致力于 600MW 压水堆核 第 6 讲 能源化学 · 363· 电机组国产化、标准化和批量生产， GW（ 10 9 ）级先进压水堆和快中子增殖 反应堆及高温气冷反应堆正处于研制阶段。 单纯以裂变能源来计算，包括天然铀和钍，那将是化石燃料（指煤、石 油、天然气等）的 20 倍。至于聚变能源的储量，仅仅海水中的氘，至少可供 人类利用 10 7 年！所以在原子能利用的问题上，尽管存在着巨大的技术上的困 难，但对受控热核反应的研究，一直获得最大的关注，因为聚变形式的原子 能实际上是一种“取之不尽，用之不竭”的能源。因此核能将成为今后能源 开发利用的一个重要方向。 4.2 氢能 (hydrogen energy) (1) 氢能的特点 氢能 是指以氢及其同位素为主体的反应中或氢状态变化过程中所释放的 能量。氢能包括氢核能和氢化学能，这里主要讨论由氢与氧化剂发生化学反 应而放出的化学能。 氢作为二次能源进行开发，与其它能源相比有明显的优势：燃烧产物是 水，堪称清洁能源；氢是地球上取之不尽、用之不竭的能量资源而无枯竭之 忧； 1kg 氢气燃烧能释放出 142 MJ 的热量，它的热值高，与化石燃料相比， 约是汽油的 3 倍、煤的 5 倍，研究中的氢—氧燃料电池还可以高效率地直接 将化学能转变为电能，具有十分广泛的发展前景。 (2) 氢气的发生 氢能源的开发应用必须解决三个关键问题：廉价氢的大批量制备、氢的 储运和氢的合理有效利用。 大规模制取氢气，目前主要有水煤气法、天然气或裂解石油气制氢。但 作为氢能系统，此非长久之计，理由很简单：因为其原料来源有限。由水的 分解来制取氢气主要包括水的电解、热分解和光分解。水的电解和热分解有 能耗大、热功转化效率低、热分解温度高等缺点，不是理想的制取氢气的方 法。 对化学家来讲，研究新的经济上合理的制氢方法是一项具有战略性的研 · 364· 第 8 章 现代化学的研究进展 究课题。目前，有人提出一种最经济最理想的获得氢能源的循环体系，如图 2 所示。 这是一种最理想的氢能源循环 体系，类似于光合作用。整个过程 分为两个阶段完成了一个循环：第 一阶段，使用光分解催化剂，利用 太阳光的能量将 H 2 O 分解成 H 2 和 O 2 ；然后再用 H 2 和 O 2 制备氢氧燃 料电池，产物又重新变成了 H 2 O。 在第一阶段中，太阳能被转变成了 化学能；第二阶段化学能被转变成了电能，并重新生成起始物质——水。太 阳能和水是用之不竭，而且价格低廉，急需研究的是寻找合适的光分解催化 剂，它能在光照下促使水的分解速度加快。当然氢发电机的反应器和燃料电 池也是需要研究的问题。 实现上述良性循环，将使人类永远可以各取所需地消耗电能。光分解水 制取氢的研究已有一段历史。目前也找到一些好的催化剂，如钙和联吡啶形 成的配合物，它所吸收的阳光正好相当于水分解成氢和氧所需的能量。另外， 二氧化钛和含钙的化合物也是较适用的催化剂。酶催化水解制氢将是一种最 有前景的方法，目前已经发现一些微生物，通过氢化酶诱发电子与水中氢离 子结合起来，生成氢气。总之，光分解水制取氢气一旦成功突破，将使人类 彻底解决能源危机的问题。 (3) 氢的输运与贮存 氢气的输运和储存是氢能开发利用中极为重要的技术，因此氢气的储存 和输运技术的研究十分重要。常用储氢的方法有高压气体储存、低压液氢储 存、非金属氢化物储存及金属储氢材料的固体储存等。蓬勃发展中的纳米技 术也许将会给储氢技术带来新的希望（参见本章第 2 讲） 。氢气的输运也是需 要着力解决的问题，目前氢气的输运主要仍然使用一般的交通工具及管道输 送方式。 图5 水光分解制氢气 2H 2 O 2H 2 + O 2 太阳能 光分解催化剂 电能 燃料电池 氢气发电机 图2 水光分解制氢气 第 6 讲 能源化学 · 365· 4.3 太阳能 (solar energy) 太阳能 是地球上最根本的能源。煤、石油中的化学能是由太阳能转化而 成的，风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球 表面的能量为 50× 10 18 kJ，相当于目前全世界能量消费的 1.3 万倍，真可谓取 之不尽用之不竭，因此利用太阳能的前景非常诱人。如何把这些能量收集起 来为我们所用，是科学家们十分关心的问题。植物的光合作用是自然界“利 用”太阳能极为成功的范例。它不仅为大地带来了郁郁葱葱的森林和养育万 物的粮菜瓜果，地球蕴藏的煤、石油、天然气的起源也与此有关。寻找有效 的光合作用的模拟体系、利用太阳能使水分解为氢气和氧气及直接将太阳能 转变为电能等都是当今科学技术的重要课题，一直受到各国政府和工业界的 支持与鼓励。 太阳能与常规能源相比具有如下特点：太阳是个持久、普遍、巨大的能 源；太阳能是洁净、无污染的能源；太阳能无偿地提供给地球的每个角落， 可就地取材，不受市场的垄断和操纵。 目前太阳能的利用也存在一些问题。阳光普照大地，单位面积上所受到 辐射热并不大，如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能量是问题的关键。 就每个地域来说，能量供应还受昼夜、阴晴、季节、纬度等因素的较大影响， 能量供应极不稳定，因此太阳能的采集和利用尚有大量课题需要研究。太阳 能的利用主要有热能转换、化学能转换和电能转换等方式。 太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的。集热器也就是太阳能热 水器，它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成，封装在玻璃钢外壳中。铜片只 是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。封 装材料既要有高透光率，又要有良好的绝热性，随涂层、材料、封装技术和 热水器的结构设计的不同而不同。终端使用温度较低 (低于 100℃ )时，可供生 活热水、取暖等；中等温度 (100℃ ~300℃ )时，可供烹调、工业用热等；温度 高达 300℃以上，可以供发电站使用。 20 世纪 70 年代石油危机之后，这类热 水器曾蓬勃发展，特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用 太阳能热水器的住宅很多（ 10%~35%） 。 20 世纪 80 年代在美国已建成若干示 · 366· 第 8 章 现代化学的研究进展 范性的太阳能热发电站，用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到 发电机进行发电。 太阳能也可通过光电池直接变成电能，这就是太阳能电池、光伏打电池。 它们具有安全可靠、无噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规模可 大可小等优点，但需要占用较大的面积，因此比较适合阳光充足的边远地区 的农牧民或边防部队使用。已有使用价值的光电池种类不少，多晶硅、单晶 硅（掺入少量硼、砷） 、碲化镉（ CdTe） 、硒化铜铟（ CuInSe）等都是制造光 电池的半导体材料，它们能吸收光子使电子按一定方向流动而形成电流。光 电池应用范围很广，大的可用于微波中继站、卫星地面站、农村电话系统， 小的可用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器等，这些产品已有广 大市场。 对于利用阳光发电，美国、德国、日本等发达国家正致力于太阳能的开 发利用。我国自 20 世纪 80 年代起也开始了太阳能电池的研究，引进了国际 先进的技术。太阳能电池现已有小批量生产，受到西藏无电地区牧民们的欢 迎。这种小的太阳能发电装置可以为一台彩色电视机和一部卫星接收机提供 电源，或为家庭照明和家用电器供电。到 2000 年，我国的太阳能热水器的累 积拥有量已达 1500 万 m 2 。 据德国教育、研究和技术部不久前发布的一份报告 , 对今后 25 年世界科 技发展作了预测，其中有关太阳能为： (1)在 2003 年，屋顶和墙上的太阳能电 池成为门窗一样的建房设备部件。 (2)在 2010 年，电动汽车在专用“加油站” 用太阳能电力充电。 (3)在 2019 年，在沙漠中利用太阳能发电，用超导线路输 往用户。 (4)在 2020 年，在空间站设置太阳能电站发电，用电磁波输向地球。 4.4 生物质能 (bio-energy) 生物质能 是指由太阳能转化并以化学能形式贮藏在动物、植物、微生物 体内的能量。 生物质 (biomass)本质上是由绿色植物和光合细菌等自养生物吸 收光能，通过光合作用把水和二氧化碳转化成碳水化合物而形成。一般说， 绿色植物只吸收了照射到地球表面的辐射能的 0.5％～ 3.5％。即使如此，全部 第 6 讲 能源化学 · 367· 绿色植物每年所吸收的二氧化碳约 7×10 11 t，合成有机物约 5×10 11 t。因此生物 质能是一种极为丰富的能量资源，也是太阳能的最好贮存方式。生物质能可 以说是现代的、可再生的“化石燃料” ，可为固态、液态或气态。它储量大， 使用普遍，含硫量低、充分燃烧后有害气体排放极低。因此，在世界能源结 构中至今还占有十分重要的地位，尤其是在广大的农村和经济不发达的地区。 稻草、劈柴、秸秆等生物质直接燃烧时，热量利用率很低，仅 15%左右， 即便使用节柴灶，热量利用率最多也只能达到 25%左右，并且对环境有较大 的污染。目前把生物质能作为新能源来考虑，并不是再去烧固态的柴草，而 是要将它们转化为可燃性的液态或气态化合物，即把生物质能转化为化学能， 然后再利用燃烧放热。 农牧业废料、高产作物（如甘蔗、高梁、甘薯等） 、速生树木（如赤杨、 刺槐、桉树等） ，经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的 液体燃料；生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成可燃性气体（一般 为一氧化碳、氢气、甲烷等的混合气体） 、液体（焦油）及固体（木炭） ；生 物质还可以在厌氧条件下发酵生成沼气，沼气是一种可燃的混合气体，其中 甲烷占 55%~70%， CO 2 占 25%~40%。沼气作为燃料不仅热值高并且干净，沼 渣、沼液是优质速效肥料，同时又处理了各种有机垃圾，清洁了环境。我国 的沼气事业起步晚，但发展速度快，数量多。目前农村约有 760 万个小型沼 气池作为家用能源。投资建设中型、大型沼气池不仅可用于发电，也可处理 城市垃圾；垃圾也可直接用来发电，垃圾中含有的二次能源物质——有机可 燃物所含热量多、热值高，每 2t 垃圾可获得相当于燃烧 1t 煤的热量。焚烧处 理后的灰渣呈中性、无气味、不引发二次污染，且体积减少 90%，重量减少 75% 。 1t 垃圾最多可获得 300~400kW?h 的电能。因此垃圾发电是一种非常有 效的减量化、无害化和资源化的措施。 此外，科学家们发现世界各地遍生各种能产石油的树，如东南亚地区的 汉加树，澳大利亚的桉树和牛角爪，巴西的苦配巴树、三角大戟、牛奶树。 在国内，可作能源的植物也有广泛的分布，如陕西省的白乳木，海南岛的油 楠树，南方的乌柏树，以及广泛栽种的续随子。美国人工种植的黄鼠草，每 公顷可年产 6000kg 石油，美国西海岸的巨型海藻，可用以生产类似柴油的燃 · 368· 第 8 章 现代化学的研究进展 料油。我国海南岛的油楠树可谓世界石油树产油之冠，一株树最多可产燃油 50kg，经过滤后可直接供柴油机使用。 生物质能资源丰富、可再生性强，是一种取之不尽，用之不竭的能源。 随着科学技术的发展，人类将会不断培育出高效能源植物、发现新的生物质 能转化技术。生物质能的合理开发和综合利用必将对提高人类生活水平，为 改善全球生态平衡和人类生存环境做出更积极的贡献。在本章第 3 讲中我们 将会看到有关利用生物质资源生产化工原料的内容。 4.5 风能（ wind energy） 这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术，这也是一种可以再 生的干净能源。随着风力发电技术的提高和市场的不断扩大，近年来风力发 电增长迅速。单机容量不断扩大，国外有实力的企业正在开发 3~5MW 机组， 目前兆瓦机组已走向商业化。全世界风力发电装机容量到 2000 年底已达到 1765.2 万千瓦。德国居世界第一位，我国东南沿海及西北高原地区（如内蒙、 青海、新疆）也有丰富的风力资源，现已建成小型风力发电厂 9 个，发电装 机容量 2 万千瓦。目前，北京周边正在建设中的风力发电站，将为 2008 年北 京奥运会提供电能。 4.6 地热能（ terrestrial heat energy） 地壳深处的温度比地面上高得多，利用地下热量也可进行发电。在西藏 的发电量中，一半是水力发电，约 40%是地热电。西藏羊八井地热电站的水 温在 150℃左右。台湾清水地热电站水温达 226℃。近年来发展最快的是中、 低温地热的利用，可用于采暖、洗浴、医疗、旅游、种植业等。目前，全国 已发现地热点 3200 多处，打成地热井 2000 多眼。地热能与地球共存亡，地 热潜力不容忽视。 第 6 讲 能源化学 · 369· 4.7 海洋能（ ocean energy） 在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动，站在海滩上，可以 看到滚滚海浪，其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量 总称 海洋能 。从 20 世纪 60 年代起法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建 成潮汐能发电站。中国海洋能资源十分丰富，其中可开发的潮汐能就有 2000 万 kW 以上。我国在东南沿海先后建成 7 个小型潮汐能电站，其中浙江温岭的 江厦潮汐能电站具有代表性，它建成于 1980 年，至今运行状况良好。 4.8 节能技术（ energy savingte chnology） 国民经济的发展要求能源有相应的增长，人口的增长和生活条件的改善 也需要消耗更多的能量。现代社会是一个耗能的社会，没有相当数量的能源 是谈不上现代化的。现代主要能源是煤、石油和天然气，它们都是短期内不 可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。节能不是简单地指 少用能量，而是指要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗，这也 是国民经济建设中一项长期的战略任务。 一个国家或一个地区能源利用率的高低一般是按生产总值和能源总消耗 量的比值进行统计比较的，它与产业结构、产品结构和技术状况有关。和国 际相比，我国的能耗比日本高 4 倍，比美国高 2 倍，比印度高 1 倍。所以若 能赶上印度的能源利用率，要实现生产翻一番，似乎不必增加能源消费量。 要实现国民经济现代化，既要开发能源，又必须降低能耗，开源节流并举， 并且要把节流放到更重要的位置。 我国长期面临能源供不应求的局面，人均能源水平低，同时能源利用率 低，单位产品能耗高。所以必须用节能来缓解供需矛盾，促进经济发展，同 时也有利于环境保护。因此节能是我国的一项基本国策。 根据国家能源委员会的预测，到 2020 年，新型的节能车、新型的工业节 能装置和热力系统，以及节约能源的部分基础设施将取代现存的能源设施。 从 2050 年至 2100 年，几乎所有的能源技术和能源设施将至少被更新两次， · 370· 第 8 章 现代化学的研究进展 大多数与能源有关的基础设施也不例外。 参 考 文 献 1. 唐有棋，王夔 主编 . 化学与社会 . 北京：高等教育出版社， 1998 2. 夏熙 .迈向 21 世纪的化学电源 . 电池 , 2000, 30(3): 95~97 3. 王金良，马扣祥 . 化学电源科普知识 (I)~(VII).电池工业， 2000.5(4)~2001.6(4) 4. 王艳华，王欧，林彬 .前景广阔的新型化学电源—燃料电池 .辽宁化工， 27.(1) 5. 金永君 . 原子能— 21 世纪能源发展的趋势 . 应用能源技术， 2001,4,18~20 6. 周善元 . 21 世纪的新能源—生物质能 . 江西能源， 2001,4,34~37