现代化学与能源

1. 现代化学与能源 2008年8月12日

2. 一、我们所面临的能源状况 目前全世界使用的能源90% 取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。 从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为： 石 油：1万亿桶 天然气：120万亿立方米 煤 炭：1万亿吨

3. 按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有： 储量有限的化石燃料

4. 我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。

5. 大庆油田 从1960年至2002年累计生产原油17多亿吨。 27年稳产在5000万吨/年以上。 1997年最高产量为5600万吨/年 2002年为5013万吨/年 2003年计划产量4830万吨/年 进入递减开采期。 ——化工报2003-1-18-1

6. 据美国石油业协会估计，在2050年之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完；而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺。据美国石油业协会估计，在2050年之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完；而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺。

7. 二、能源之母——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。

8. 太阳光谱图

9. 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。

10. 目前人类所能够使用的能源形式

11. 美国《科学美国人》杂志在1971年7月刊刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下数据，到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：美国《科学美国人》杂志在1971年7月刊刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下数据，到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：

12. 太阳能能量流向示意图

13. （一）对太阳能的间接利用 （1）通过光合作用的形式利用太阳能

14. 太阳能的间接利用　 煤炭——当代工业的粮食 石油——当代工业的血液 天然气——最清洁的化学能源 可燃冰——未来的新能源 生物质能——前景广阔的绿色能源

15. 煤炭的结构

16. 煤炭液化 煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。 煤炭直接液化: 煤炭 煤粉 油煤浆 加氢裂化 液体油品 煤炭间接液化: 煤炭、氧气、水蒸气 H2和CO的混合气体

17. 石油的形成 石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。 水中生物的遗骸下沉而埋没于地下

18. 因地热或地压等作用变成石油 石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中

19. 汽油性能的表征——辛烷值 辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度 提高汽油辛烷值的方法： 1.提高异辛烷的含量—铂铼重整 2.加少量的四乙基铅[Pb(C2H5)2]

20. 无铅汽油与无铅抗爆剂 目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚[MTBE，CH3O(CH3)3]、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰（MMT）、醇类等，其中以MTBE用量最大。 无铅汽油不等于无害汽油

21. （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。

22. 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。

23. 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。

24. 推进舱 通讯舱 轨道舱 附加舱 太阳能电池

25. 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）

26. 无机太阳能电池 半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。 当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 工作原理

27. 染料敏化纳米晶体太阳能电池 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10. 1991年※，Grätzel M.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米 晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs ）的文 章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率， 为利用太阳能提供 了一条新的途径. 1997年，该电池的光电转换效率达到了10%~11%，短路电流达 到18mA/cm2,开路电压达到720mV； 1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。

28. 染料敏化太阳能电池的优点 • 制成透明的产品，应用范围广 • 在各种光照条件下使用； • 光的利用效率高； • 对光阴影不敏感； • 可在很宽温度范围内正常工作……

29. 染料敏化太阳能电池的结构 染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、对电极以及电解质等几部分。

30. 染料敏化太阳能电池和植物的光合作用 纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体的内囊体，起着支撑敏化剂染料分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用。 敏化剂染料分子相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。 叶绿体的结构

31. 染料敏化太阳能电池的工作原理图

32. 由于TiO2的禁带宽度较大(32eV)，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于TiO2的导带，所以电子可以快速注入TiO2；电子在导带基底上富集，通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随后被电解质中的I-还原而得以再生，而氧化态的电解质(I3-)在Pt对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电化学反应循环。由于TiO2的禁带宽度较大(32eV)，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于TiO2的导带，所以电子可以快速注入TiO2；电子在导带基底上富集，通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随后被电解质中的I-还原而得以再生，而氧化态的电解质(I3-)在Pt对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电化学反应循环。

33. 光电阳极: Dye + hν→Dye* (染料激发) Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流) Dye++1.5Ｉ－→Dye+0.5I3-(染料还原) 阳极发生的净反应为: 1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2) 对电极: 0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原) 整个电池的反应结果为: ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)

34. 样 机

35. 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

36. 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

37. （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。

38. 太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。 低温热利用：地膜、塑料大棚 以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统 中温热利用：空调制冷、制盐以及 其它工业用热 高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机 和高温炉

39. （3）对紫外线的利用 紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫外光的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347 kJ/mol）、C-N（305 kJ/mol）和C-S（259 kJ/mol）键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。

40. 三、魔鬼与天使——核能 （一）核裂变能 使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。 只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。

41. 要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件: 第一，重核裂变要形成链式反应； 第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。

42. 链式反应 逃逸 中子 鈾-235 核分裂

44. “快堆”——明天的核电站“锅炉” 人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉”，在这种“锅炉”里烧的是铀、钚等核燃料。在核电站“锅炉”这个家庭中，有一个特殊成员——快中子增殖反应堆，简称“快堆”，现在已成为核反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆”的“燃料”却越烧越多，成了魔炉。

45. “快堆”为什么会有增殖燃料的本领呢？ 在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1个每吸收1个快中子发生裂变反应会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个快中子会被装在反应区周围的238U（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子239Pu。

46. 就是说在核锅炉中一边“烧”掉，又一边使238U转为成新的，而且新产生的比“烧”掉的还多。这就使“快堆”的燃料越烧越多。“快堆”增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量238U废料堆积问题。就是说在核锅炉中一边“烧”掉，又一边使238U转为成新的，而且新产生的比“烧”掉的还多。这就使“快堆”的燃料越烧越多。“快堆”增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量238U废料堆积问题。

47. 一座快堆核电站，在5～15年的时间内可使燃料数量翻一番，通过建造快堆核电站，既能用238U发电，又能增殖燃料，因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。一座快堆核电站，在5～15年的时间内可使燃料数量翻一番，通过建造快堆核电站，既能用238U发电，又能增殖燃料，因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。 中国快堆在建设中

48. 核裂变能的利用带来的问题 1、放射性废料的危害 核废料是指含有α、β和γ辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。

49. 研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。

50. 2、放射性核废料的处理 与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三种方法。 切尔诺贝利核电站