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1、Yibin University专业外语论文题 目 化 学 性 能 源 的 探 究 院 别 化 学 与 化 工 学 院 专 业 应 用 化 学 学生姓名 马 新 雨 学 号 100703003 班级 2010 级 3 班指导教师 刁 元 波 2013年6月25日化学新能源的探究摘要：世界能源问题是人类当今所面临的三大问题之一，我国现在正面临着巨大的资源与环境挑战，人均资源匮乏，环境恶化。随着化石燃料的迅速消耗和环境问题的日益严重，开发新能源成为了全球研究的重点问题。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。而化学新能源是直接将化学能转化为电能，如锂电池、燃料电池、电化学电容器
2、等，具有广阔的应用发展前景。本文就化学在燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料中的研究和应用进行了评述和总结。关键词：新能源；燃料电池；储氢材料；太阳能电池Abstract:The worlds energy problem is todays one of the three major problems faced by mankind, now in China is facing the huge resource and environmental challenges, per capita resource scarcity and environmental degradation
3、. As the rapid consumption of fossil fuels and the increasing seriousness of environmental problems, the development of new energy has become the focus in the study of global problems. New energy is different from the traditional fossil energy, have clean no pollution, safety, high efficiency, etc.
4、And chemistry of new energy is directly convert chemical energy into electrical energy, such as lithium battery, fuel cell, electrochemical capacitor and so on, has wide application prospect. In this paper, the chemical in the fuel cell, hydrogen storage materials and solar cells materials in the re
5、search and application are reviewed and summarized.Key words: new energy; The fuel cell; Hydrogen storage material; The solar cell引言：随着化石燃料耗量日益增加和储量日益减少，全球已产生环境污染，气候异常和能源短缺三太问题，因此寻找来源丰富的清洁能源是当今世界面临的最重太的问题。近年来，由于燃料电池有高效、清洁的优点。加上它能利用生物质转化的气体和液体产物作其燃料，更易用氢作燃料，因此已日益受到重视。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
6、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。1. 燃料电池燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池为William Grove 在19世纪首先提出的, 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, 特别是美国阿波罗计划, 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,
7、 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（AFC）、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池( PEMFC)、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。1.1燃料电池和传统电池的比较 燃料电池所共有的特点是：第一，提供能量过程都发生在电极电解质界面上；第二，电子、离子的运输都是分开的；第三，都是由和电解质接触的两个电极构成；第四，对电极和电解质中关于离子和电子传导的要求是相同或相近的。当然，燃料电池与传统的电化学电池相比，也有其不同的地方。第一，能量存储和转换位置不同：传统电池是封闭体系，传统电池的正负极
8、是电荷转移的介质，正负极本身就是电活性物质，而燃料电池是敞开体系，燃料设在电池外面，能量转换在电池内部。第二，能量和功率密度不同：燃料电池功率密度小，能量密度高，而传统电化学电池功率密度和能量密度都比较适中。1.2燃料电池的特点与发展及应用由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：1不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；2不管装置规模大小均能保持高发电效率；3具有很强的过负载能力；4通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；5发电出力由电池堆的
9、出力和组数决定，机组的容量的自由度大；6电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；7用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。8如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。质子交换膜燃料电池( PEMFC)和直接甲醇燃料电池（DMFC）属于低温燃料电池，都用到稀少而昂贵的Pt-Rh、Pt作为催化剂，氢气作为还原剂，要求要有很高的纯度，催化剂很容易CO中毒，而且它们都用Nafion膜作为隔膜材料。 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)属于高温燃料电池，不需要Pt-Rh、Pt作为催化剂，而且CO可以作为燃料使用，所用的电解质是腐蚀性很强的碳酸盐，其对阴极、
10、阳极和隔膜的腐蚀是很严重的。 固体氧化物燃料电池(SOFC)也属于高温燃料电池，但它是全固态的，是利用快离子导体作为“电解质”，因此，各部位的密封性是非常关键的问题。目前，质子交换膜燃料电池( PEMFC)功率在一百到几百千瓦，功率密度约为1A/cm2 ,美国及其他欧洲发达国家将其用于电动汽车上。直接甲醇燃料电池（DMFC）功率在几十到几百瓦之间，常用于手机、笔记本电脑的电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)功率比较大，可达100千瓦以上，目前美国、欧盟及日本等国家正研究将其用于部分替代火力发电。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
11、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。储氢材料(hydrogen storage material)一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。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。2.1储氢的机理H2在金属或合金的粉末
12、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。2.2化学储氢材料目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物。下面仅就合金、有机液体以两个方面对储氢材料加以介绍。1.合金储氢材料储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物,其原理是金属与氢形成诸如离子型化合物、共价型金属氢化物、金属相氢化物-金属间化合物等结合物,并在一定条件下能将氢释放出来。合金及其氢化物对水、氧和二氧化碳等杂质敏感性小，反复吸放氢时，材料性能不至
13、于恶化。而且，储氢材料的氢化物还要满足在存储与运输过程中性能可靠、安全、无害、化学性质稳定等条件。现在已研究的并且符合上述要求的有镁系、稀土系、钛系和锆系等。在上述储氢材料中，镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。镁可直接与氢反应,在300400和较高的压力下, 反应生成Mg和H2反应生成MgH2: Mg + H2= MgH2?H=-74.6kJ/mol。MgH2理论氢含量可达7.6% , 具有金红石结构, 性能较稳定, 在287 时分解压为101.3kPa。由于纯镁的吸放氢反应动力学性能差, 吸放氢温度高, 所以纯镁很少被直接用来储存氢气，为
14、此人们又开始研究镁基储氢合金材料。到目前为止, 人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。2.液态有机物储氢材料有机液体氢化物贮氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应, 即加氢和脱氢反应来实现的。加氢反应时贮氢,脱氢反应时放氢, 有机液体作为氢载体达到贮存和输送氢的目的。烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体均可作贮氢材料, 但从贮氢过程的能耗、贮氢量、贮氢剂、物理等方面考虑, 以芳烃特别是单环芳烃作贮氢剂为佳, 常用的有机物氢载体有苯、甲苯、甲基环己烷、萘等。用这些有机液体氢化物作为贮氢剂的贮氢技术, 是20 世纪80 年代开发的一种新型贮氢技术。有机液体氢化物贮氢作为一种新型贮氢材
15、料, 其贮氢特点是: 有机液的贮存、运输安全方便, 可利用现有的贮存和运输设备,有利于长距离大量运输，贮氢量大, 苯和甲苯的理论贮氢量分别7.19(wt)% 和6.18(wt)% ,比现有的金属贮氢量高得多，贮氢剂成本低且可多次循环使用，加氢反应要放出大量的热,可供利用,脱氢反应可利用废热。目前存在的主要问题是有机物氢载体的脱氢温度偏高, 实际释氢效率偏低。因此, 开发低温高效的有机物氢载体脱氢催化剂、采用膜催化脱氢技术对提高过程效能有重要意义。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
16、子学。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以及化学修饰的PPV、聚噻吩等有机聚合物, 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
17、介孔材料的电子传导性质, 具有良好的应用前景。5. 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。参考文献 1 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
18、. 2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. 3Development of high-capacitynickel-metal hydride batteriesusing superlattice hydrogen-absorbing alloys. Shigekazu Yasuokaa, Yoshifumi Magaria, Tetsuyuki Murataa, Tadayoshi Tanakaa. Journal of Power Sources.2006. 4Hydrogen Fuel-Defining the Future.Floyd A.
19、Wyczalek,FW Lilly Inc,Bloomfield Hills. 2nd International Energy Conversion Engineering Conference.2004.8. 5Recent advance sinlithium ionbattery materials.Bruno Scrosati,Dipartimento di Chimica, Sezione di Elettrochimica, Uniersita di Roma La Sapienza, P. le Aldo Moro. Electrochimica Acta.2000. 6Dev
20、elopment of nickel/metal-hydride batteries for EVs and HEVs.Akihiro Taniguchi, Noriyuki Fujioka, Munehisa Ikoma, Akira Ohta. Journal of Power Sources.2001.7冯世良.中国石油和化工经济分析. 2007. 8Developmentofhigh-capacitynickel-metalhydridebatteriesusingsuperlatticehydrogen-absorbingalloys.ShigekazuYasuokaa,Yoshif
21、umiMagaria,TetsuyukiMurataa,TadayoshiTanakaa.JournalofPowerSources.2006.9HydrogenFuel-DefiningtheFuture.FloydA.Wyczalek,FWLillyInc,BloomfieldHills.2ndInternationalEnergyConversionEngineeringConference.2004.8.10Recentadvancesinlithiumionbatterymaterials.BrunoScrosati,DipartimentodiChimica,SezionediElettrochimica,UniersitadiRomaLaSapienza,P.leAldoMoro.ElectrochimicaActa.2000.11Developmentofnickel/metal-hydridebatteriesforEVsandHEVs.AkihiroTaniguchi,NoriyukiFujioka,MunehisaIkoma,AkiraOhta.JournalofPowerSources.2001.