摘要：能源问题关系到一个国家，一个民族的长远发展，随着世界经济规模的不断扩大，能源消费量持续增长。以煤、石油、天然气为主的化石能源需求的增加，使人类面临着巨大的能源压力和环境问题。化学为我们提供了一些解决能源问题的途径。通过对一些化学知识的运用，我们可以提高化石燃料的利用率并加以控制、节约使用；而通过对一些化学问题的解决，我们又可以发掘新能源以解决能源危机。
关键字：能源；化学；能源问题；利用率；新能源；
Chemical and energy
Pengwei
（haerbin institution of technology, the honors,haerbin,150000,china）
Abstract: Energy related to a country, a nationality's long-term development, with the constant expansion of the world economy, energy consumption grows. With coal, oil and na
scarlett蕙珈tural gas mainly of fossil energy demand increases, human faces huge energy pressure and environmental problems. Through the use of some chemical knowledge, we can improve the utilization rate of fossil fuels and try to control and save use; And for some chemical by the solution of the problem, and we can discover new energy to solve the energy crisis.
Key word: energy; Chemistry; Energy problem; Efficiency; New energy;
中国的能源发展在20a 里也取得了很大的成就，实现GDP翻2 番，能源消费翻1 番，完成了中国经济增长所需能源一半靠开发，一半靠节约的目标[1]。然而近几年我国消耗的能量日益增加，正被利用的各种形式的矿物能源逐渐枯竭。近几年我国出现的“油荒”、“煤荒”和“电荒”就是鲜明的例子，如果不改变能源生产和消费的现状，中国的进一步发展必然受到限制。化学与能源关系密切。化学与能源主要是二个方面的关系：一是提高能源的利用率；二是发掘新能源。对化学知识的开拓及应运将成为人类解决能源问题上的一大课题。
一、化学与能源利用率的提高
1.化学与石油利用率的提高
在能源化工领域，占据主导地位的是石油化工。目前，车用燃料的99%以上、所有的航空燃料以及石蜡、沥青、润滑油等都来自于石油化工。在我国的能源资源结构中，煤炭、天然气的蕴藏量相对较为丰富，石油资源相对缺乏。近十多年来，我国石油消费量持续快速上升，1993年我国重新成为石油净进口国；2004年，我国实际生产原油1.75 亿吨，消费原油3.14 亿吨，进口量首次突破1 亿吨，达到1.22 亿吨，对外依存度高达38.9%[2]。由此可见我国石油资源紧缺，提高石油的利用率显得迫在眉睫。新探索出的化学知识为提高石油的利用率提供了一些可行的方法。
发展石油化工就必须开发相关的催化剂。特别在今天石油资源尚欠充足的情况下, 要提高装置经济效益, 开发新型的石油化工催化剂是势在必行。目前世界上有关石油化工催化剂的发展动向主要表现在以下几个方面。商效聚烯烃催化剂有新的进展. 最近西德汉堡大学卡密斯库等人发现一种固相钴催化剂, 即由钴化物和铝氧烷络合而成,铝氧烷由5~20个交替铝和氧原子以环结构或链结构组成, 这种高效聚烯烃催化剂具有活性高、能迅速形成大聚合物链、可将丙烯或高级α—烯烃生成高分子量的无规聚合物、与淀粉或纤维素以及其他填料生成均
匀聚烯烃复合材料、寿命长、易长期保存等优点。这一发现, 不仅在催化工艺上是个革新, 而且为聚烯烃的用途开辟了新途径[3]。乙烯氧化制环氧乙烷银催化剂, 早期这种催化剂收率不高, 以空气法为例, 一段单收不超过20%。近年来逐步改为氧气法, 其催化剂以美国壳牌公司为例,通过添加艳钡改善了银的分散性和吸附性能, 采用适当比表面积、孔隙率的载体, 以改善导热性能, 使环氧乙烷选择性可高达80%[3]。 炼油与石油化学过程的组合。炼油厂渣油利用，由于对重燃料油燃烧排放气中SOx 、NOx 及CO2 的严格限制, 使渣油燃料油产品需求减少。从炼油厂经济和环保角度考虑, 需要制订将渣油转化为较轻产品的“零燃料油”生产计划。渣油改质，渣油改质技术可分为脱碳与加氢两大类。脱碳过程有溶剂脱沥青、减粘、热裂化、焦化和催化裂化; 加氢过程则有催化加氢脱金属、加氢裂化和加氢脱硫等典型的加氢工艺[4]。
2.化学与新型煤化工
煤直接液化。煤直接液化是煤化工领域的高新技术。该技术将煤制成油煤浆,于450 ℃左右和10～30MPa 压力下催化加氢,获得液化油,并进一步加工成汽油、柴油及其它化工产品。
煤间接液化。煤间接液化是将煤气化并制得合成气(CO、H2) ,然后通过F - T 合成,得到发动机燃料油和其它化工产品。一步法合成二甲醚技术。二甲醚可以代替柴油用作发动机燃料,也可以作为民用燃料替代LPG[5]。与甲醇为原料两步法制取二甲醚相比,以合成气为原料通过一步法合成二甲醚的技术具有效率高、工艺环节少、生产成本低的优点。国内正在研
究开发一步法合成二甲醚技术。
二、化学与新能源
20 世纪70 年代以来, 随着化石能源的日渐枯竭和人们对环境污染问题的日益重视, 许多国家都加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。美国在1973 年制定了政府级阳光发电计划, 并于1980年正式将光伏发电列入公共电力规划, 累计投资达8 亿多美元。日本、德国等欧共体国家及一些发展中国家也都纷纷制定了相关的发展规划或计划, 大幅度增加了对新能源和可再生能源开发利用的投入。新能源的高效利用依赖于新材料的研发。而要降低新材料的研发成本、缩短开发周期, 则离不开理论化学。理论化学是用物理学的理论来解释和预测化学现象。
燃料电池是将储存于燃料(H2、甲醇等) 中的化学能转化为电能的一种装置, willliam Grove爵士在19世纪首先提出[6] ， 是人类所知最早的电能转化技术之一; 由于经济、材料等原因, 燃料电池的发展落后于蒸汽机和内燃机。20 世纪60 年代的太空技术, 特别是美国计划, 开启了燃料电池的新时代。近年来, 全球环境保护意识的增强, 极大地促进了燃料电池的发展。 根据使用的电解质, 燃料电池有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等[7]。碱性燃料电池以水溶液或稳定的氢氧化钾为电解质, 是发展最快的一种电池, 主要用于太空任务。这种电池启动快, 但电力密度比PEMFC 低得多。磷酸燃料电池使用磷酸为电解质, 苏州大学体育学院工作温度在纳米医药150 —200℃。它对杂质耐受性较强, 当反应物中含有1% — 2% 的一氧化碳和百万分之几的硫时, 仍可工作, 且构造简单、稳定初四英语, 电解质不易挥发, 缺点是效率较低。熔融碳酸盐燃料电池的电解质是熔融态碳酸盐, 属高温电池( 600—700 ℃) , 具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样化等优点。固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池, 它是在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂
中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。PEMFC 是一种清洁、高效的环保电源, 也是电动汽车的动力源。PEMFC 工作原理相当于水电解的“逆”过程。其单电池由阳极、阴极和只能传导质子的质子交换膜组成。阴极常用对氧还原( ORR) 有较好性能的铂基催化剂, 为阻止CO的毒化, 阳极多用Pt/Ru, Pt/Ru/W 等铂基合金。两电极的反应分别为:
阳极( 负极) : 2H2 - 4e- = 4H+ (1)
阴极( 正极) : O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O 深圳市龙岗区至诚社会工作服务中心(2)
质子交换膜燃料电池因为不受卡诺循环的限制, 能量转换率高, 发电时不产生污染, 可靠性高, 组装和维修都很方便, 工作时也没有噪音。
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6.7wt%和62kg/m3。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[8]。
2.1 金属氢化物
在金属氢化物中氢以原子形式存在。典型的例子是MgH2 , 其理论储氢容量高达7..7wt% , 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。许多研究致力于在球磨MgH2粉末时混合过渡金属对镁基材料进行改性以提高氢的吸附与脱附速率并降低脱附温度。
2.2 合金
把氢以金属氢化物的形式储存在合金中, 是近年来发展的技术。原则上这类合金大都属于金属间化合物。在一定温度和压力下把这类材料曝置在氢气氛中时, 可吸收大量的氢气( 形成
金属氢化物) , 李白长江加热时这些金属氢化物又释放出氢气, 利用这一特性就可有效地储氢。
3.太阳能电池
太阳能是一种重要的洁净无污染新能源,将太阳能转化为电能和热能,对未来社会可持续发展具有重要意义,太阳能电池就是实现光电转换的一种电子学器件。目前深入研究和应用的太阳能电池材料主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列。但是硅材料,尤其是高纯硅的制作工艺复杂、成本高,极大限制了其大规模民用化的进程。故此,改进材料制备及器件制作技术以降低电池成本、设计合成各种新材料、提高光电能量转换效率成为目前太阳能电池领域研究的重要内容。新型有机半导体材料,如C60、卟啉、酞菁、五并苯、二萘嵌苯( )等有机分子及其衍生物[9]以及化学修PPV(MDMO-PPV,poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)] -1,4-phenylenevinylene)、聚噻吩( P3HT,poly( 3-hexylthiophene))等有机聚合物[10], 具有合成成本低、制作工艺简单等优点, 是目前太阳能电池材料的研究热点。此外, 染料敏化太阳能电池( DSSC) 也受到广泛关注。这类材料融合了有机染料良好的光吸收性能和无机半导体TiO2 纳米介孔材料的电子传导性质, 具有良好的应用前景。一般说来, 有机半导体都是宽带隙(>1.4eV) 的材料, 且在室温和无光照条件下, 几乎不存在游离的荷电载流子。其光电转换
机理如下[11]: ( 1) 光激发材料分子, 生成激子( 电子-空穴对) ；( 2) 激子在电子给体D 和电子受体A 的异质结( HJ) 界面处发生电荷分离, 生成电子和空穴载流子; ( 3) 电子传导至阴极, 空穴被相邻分子的电子中和而传导至阳极,产生电流。提高太阳能电池材料的性能, 首要的一点就是在太阳光照射时, 电池材料能充分地吸收光子的能量, 并生成稳定的激子。这要求材料的吸收光谱尽可能覆盖整个太阳辐射光谱, 并具有较大的吸收系数以有效地捕获太阳辐射; 另一方面要保证光生激子的稳定性, 并有效发生电荷分离, 转化为电子和空穴载流子, 迁移到电极附近, 从而产生光电流。
