新材料與能源環(huán)境

1、姓名：李志遠(yuǎn)學(xué)院：化工學(xué)院班級：礦加092班學(xué) 號： 06092488新材料與能源環(huán)境當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，但是單位GDP的能耗卻居高不下，反而略有上 升，這種高能耗、高成本、低效益的粗放型發(fā)展模式嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的健 康性和持續(xù)性，嚴(yán)重破壞了人與自然的和諧發(fā)展，最近頻發(fā)的自然災(zāi)害便是大自 然對人類行徑的強(qiáng)烈控訴，。所以，我們要認(rèn)識到我們發(fā)展的不足，調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā) 展模式，人與自然和諧共處。二、我國能源、環(huán)境現(xiàn)狀近年來能源及與之相關(guān)的環(huán)境成為全世界各國關(guān)注的熱點，各國都在從自己 本國的國情出發(fā)來解決能源與環(huán)境問題。對我國來說，由于人均能源資源短缺， 環(huán)境容量有限，西部生態(tài)脆弱，能源與環(huán)境問題

2、尤為嚴(yán)重。它極大的制約了我國 的可持續(xù)發(fā)展。近年來，我國GDP每年以10%的速度發(fā)展，能源消耗急驟增加， 環(huán)境、生態(tài)日益惡化。這種對自然無序的、掠奪性索取的發(fā)展模式已難以為繼， 實際上已造成當(dāng)前十分嚴(yán)重的、不可逆轉(zhuǎn)的后果，大自然的懲罰已經(jīng)不斷地凸現(xiàn) 出來，并還要繼續(xù)加重。煤現(xiàn)在是、將來（直到2050年或更晚）仍是我國能源的主力，煤的開采和直 接燃燒已引起嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境污染問題，70%80%以上的SO2、NOx、汞、 顆粒物、CO2等都是由于煤炭直接燃燒所引起的，目前我國溫室氣體排放已居 世界第2位，近年來還在不斷的快速增長，如此下去在10年或略長一些的時 間內(nèi)將超過美國，居世界第一。如果不采

3、取有效的行動，中國將為此付出慘痛的 代價。用可再生資源取代煤炭等傳統(tǒng)的能源是時代的必然，但目前來看，可再生能 源（主要是風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一 定分量的比例，這個情況和歐洲的其他國家在國情上有很大區(qū)別。一些歐洲國家， 他們總能耗已經(jīng)不再增長（或增長很少），可再生能源的發(fā)展逐步替代目前在用的 化石能源。而我國卻處于總能耗急劇增長之中，單是發(fā)電設(shè)備（其中主要是燃煤 的發(fā)電），每年增長的裝機(jī)容量是6080GW，超過三個長江三峽。在這個高速 增長量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用說去替代原有的化石能 源消耗?？傮w來說，我國能源、環(huán)境面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

4、：1.總量需求的巨大壓力， 從2000到2020年，國家規(guī)劃全國GDP增長四倍，而能源消耗增長一倍，這 意味著能源彈性系數(shù)應(yīng)為0.5。但是最近三年，這個系數(shù)為1.3以上，即能源需 求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)劃。從發(fā)展趨勢來看，我國工業(yè)已進(jìn)入重要階段，按世界各國發(fā) 展的歷史規(guī)律來看，能耗迅速增長不可避免，問題是這么大的一次能源需求我們 是否能夠供應(yīng)？其所引起的污染是否有足夠的環(huán)境容量？怎么解決？ 2.環(huán)境污 染嚴(yán)重，污染物質(zhì)主要是SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2,這些污染物的80% 是由于化石能源的應(yīng)用，尤其是煤的直接燃燒所引起。目前我國有30%40%的 地區(qū)（尤其是西南地區(qū)）出現(xiàn)酸雨現(xiàn)象，呼

5、吸系統(tǒng)疾病不斷增加。3.溫室氣體排放目前全球每年排放250多億噸CO2,空氣中的CO2濃度，從工業(yè)化150多年 以來，已從280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增長。溫室氣體對 地球?qū)⑿纬傻臑?zāi)難性后果，在經(jīng)歷了長期的爭論后，全世界的學(xué)者已有共識。所 以，全世界都在采取多種措施減排CO2，我國已于2002年成為“京都議定書 的第37個簽約國?？偟膩碚f，作為一個負(fù)責(zé)任的大國，我國在不遠(yuǎn)的將來必然 要承擔(dān)一定量、甚至大幅度溫室氣體的減排任務(wù)。因而，從戰(zhàn)略高度、從現(xiàn)在開 始就應(yīng)該認(rèn)真考慮我國CO2如何分階段減排的有關(guān)戰(zhàn)略技術(shù)和政策問題，否 貝U，在今后幾十年我國將會為此付出更多的代價。

6、4.八億農(nóng)民及城鎮(zhèn)化所需能源 的供應(yīng)不足，到目前為止，有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)民沒有得到良好的能源服務(wù)，他們?nèi)?依賴當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈、柴草等）作為主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森 林和破壞生態(tài)。此外，我國城鎮(zhèn)化率以每年1%在增長，每年有將近一千萬人口 進(jìn)入新的城鎮(zhèn)。據(jù)統(tǒng)計，每個城鎮(zhèn)居民人均所消耗的能源是農(nóng)村人均的3.5倍。 這部分份額巨大的能源應(yīng)來自何處？怎樣才能結(jié)合社會主義新農(nóng)村的建設(shè)提供 給廣大農(nóng)村和新建中、小城鎮(zhèn)符合中國國情的現(xiàn)代化能源服務(wù)，以減少生態(tài)破 壞，減少室內(nèi)污染，提高農(nóng)民生活質(zhì)量面對這些嚴(yán)峻的能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)，我們何去何從，其實，有人已經(jīng)為我們 指明了一條道路，那就是新材料，下面我

7、將從新能源材料和環(huán)境材料兩方面來闡 述一下這兩條路。三、新材料1、新能源材料能源材料主要有太陽能電池材料、儲氫材料、固體氧化物電池材料等。太陽 能電池材料是新能源材料，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá) 40%。氫是無污染、高效的理想能源，氫的利用關(guān)鍵是氫的儲存與運(yùn)輸，美國能 源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲氫技術(shù)。氫對一般材料會產(chǎn)生腐 蝕，造成氫脆及其滲漏，在運(yùn)輸中也易爆炸，儲氫材料的儲氫方式是能與氫結(jié)合 形成氫化物，當(dāng)需要時加熱放氫，放完后又可以繼續(xù)充氫的材料。目前的儲氫材 料多為金屬化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。固體氧化物燃料電池的研究 十分

8、活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換 膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等。新材料把原來習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉?。如：半?dǎo)體材料把太陽能有效地 直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗剂想姵啬馨雽?dǎo)體材料把太陽能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；儲?材料使氫與氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過去利用氫氣燃料獲得高溫。一些新材 料可提高儲能和能力轉(zhuǎn)化效果，如：竦電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲 能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來的新型二次電池。新材料決定著核反應(yīng)堆的性 能與安全性。材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。如： 太陽電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；太陽電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；燃料電

9、 池的電極材料決定著電池的質(zhì)量和壽命，材料的制備工藝又決定著能源的成本。典型應(yīng)用是新型二次電池，其中鉛酸電池和鎘竦電池是早已廣泛應(yīng)用的二次 電池，但是比能量都很低；另外，鉛和鎘都是有毒金屬，對環(huán)境的污染問題嚴(yán)重。 新型的二次電池性能優(yōu)良，可循環(huán)使用，對環(huán)境的污染較小，避免了上述弊病。因此，發(fā)展高比能量、無污染的新型二次電池受到科技界和產(chǎn)業(yè)界的重視。2、環(huán)境材料人類的生產(chǎn)過程從材料的生產(chǎn)一使用一廢棄的過程來看，可以說是將大 量的資源提取出來，又將大量廢棄物排回到自然環(huán)境的循環(huán)過程，人類在 創(chuàng)造社會文明的同時，也在不斷的破壞人類賴以生存的環(huán)境空間。傳統(tǒng)的 材料研究、開發(fā)與生產(chǎn)往往過多的追求良好的使

10、用性能，而對材料的生產(chǎn)、 使用和廢棄過程中需消耗大量的能源和資源，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危 害人類生存的嚴(yán)峻事實重視不夠。為了人類的生存和發(fā)展，90年代初，在可持續(xù)性發(fā)展理論和應(yīng)用的推動下，國際材料界出現(xiàn)了一個新的領(lǐng)域環(huán) 境材料，在這種材料的研究和開發(fā)的過程中，既要追求良好的使用性能，又 要深刻認(rèn)識到自然資源的有限性和盡可能降低廢棄物排放量，并在材料的 提取、制備、使用直到廢棄與再生的整個過程中都盡可能地減少對環(huán)境的 影響。因而它也被稱為“綠色材料”或者“生態(tài)材料”。生態(tài)環(huán)境材料研究的主要方向有： 減少人均材料流量，減少材料集 約化程度： 減少壽命周期中的環(huán)境負(fù)荷，使用生態(tài)化的生產(chǎn)工藝：開發(fā)天

11、然能源，使用藏量豐富的礦物和天然材料；避免使用有害物質(zhì)， 使用“清潔”材料；使用長壽命材料，強(qiáng)化再生利用，強(qiáng)化生物降解性； 修復(fù)環(huán)境，強(qiáng)調(diào)生態(tài)效率（性能一環(huán)境負(fù)荷比孔環(huán)境負(fù)荷小的高分子 合金設(shè)計；可再生循環(huán)高分子材料的設(shè)計；完全降解高分子材料設(shè)計； 高分子材料加工和使用過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)無害化處理技術(shù)。環(huán)境材料憑借其良好的性能和生態(tài)型被應(yīng)用廣泛。生物降解材料是20世紀(jì)80年代后由于環(huán)境和能源之間的矛盾凸顯而 發(fā)展起來的一種新型高分子材料。它是指在一定條件下、一定時間內(nèi)能被 細(xì)菌、霉菌、藻類等微生物降解的一類高分子材料。真正的生物降解高分 子在有水存在的環(huán)境下，能被酶或微生物水解降解，從而使高

12、分子主鏈斷 裂，分子量逐漸變小，以致最終成為單體或代謝成二氧化碳和水目前在生物降解材料方面研究最熱、發(fā)展最快的為醫(yī)用生物降解高分 子材料。主要為聚乳酸（PLA）類醫(yī)用高分子降解材料，因其無毒、無刺激性、 強(qiáng)度高、易加工成型，具有優(yōu)良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物 體內(nèi)經(jīng)過酶解，最終分解成水和二氧化碳，所以廣泛用于醫(yī)療方面。筆者 以PLA類醫(yī)用生物降解材料為例說明生物降解材料的研究進(jìn)展。充分說明了這一點。長壽命高分子材料的開發(fā)是未來高分子材料重要研究內(nèi)容之一，通過 延長高分子材料的使用壽命，從而提高資源的利用率，降低資源開發(fā)速度。 目前日本在長壽命高分子材料研究方面處于領(lǐng)先地位，日本出興光

13、產(chǎn)公司 開發(fā)了長壽命藍(lán)光和綠光有機(jī)發(fā)光材料，此材料改進(jìn)了藍(lán)光有機(jī)發(fā)光材料 的分子結(jié)構(gòu)，因而得到電流發(fā)光效率為 9 cd / A，半壽命為223 000 h，不 僅改進(jìn)了綠光有機(jī)發(fā)光材料的色純度，而且提高了壽命。人工制造的具有生物功能、生物活性或者與生物體相容的材料稱為仿 生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基礎(chǔ)上，從材料的制備到應(yīng)用都與 環(huán)境、人體有著自然的協(xié)調(diào)性。已經(jīng)研究開發(fā)的仿生物材料主要有生物陶瓷及其復(fù)合材料、組織工程材料和仿生智能材料等。組織工程材料是用于 取代某些生物體組織器官或恢復(fù)、維持以及改善其功能的一類仿生物材料。 常見的組織工程材料包括組織引導(dǎo)材料、組織誘導(dǎo)材料、組織隔離材料、

14、 組織修復(fù)材料和組織替換材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系統(tǒng)，同 時具有感知和驅(qū)動雙重功能的材料。仿生智能材料剛剛出現(xiàn)十余年，但已 經(jīng)發(fā)展成為生物材料領(lǐng)域最引人注目的研究熱點之一。目前主要有智能高 分子凝膠材料、智能藥物釋放體系以及仿生薄膜材料等。四、總結(jié)中國作為一個高速發(fā)展的發(fā)展中國家，發(fā)展是硬道理，但我們不能以犧牲 環(huán)境和寶貴資源為代價，謀求經(jīng)濟(jì)的一時發(fā)展，現(xiàn)在我們必須改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式， 由粗放型向集約型社會轉(zhuǎn)變，人與環(huán)境要協(xié)調(diào)發(fā)展。新能源材料和環(huán)境材料等新 材料的出現(xiàn)和發(fā)展為我國發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變提供了一條光明的道路，新型材料將材 料、環(huán)境、資源有機(jī)的整合為一個整體，將材料的使用性能同保護(hù)

15、地球生態(tài)環(huán) 境、保障生活環(huán)境及珍稀寶貴能源充分結(jié)合起來，這是對傳統(tǒng)材料技術(shù)與 工程的革新，這是對傳統(tǒng)發(fā)展方式敲響的警鐘?？傊瑹o論是新能源材料還是生態(tài)環(huán)境材料，必將成為未來新材料的 一個重要分支，作為跨材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生態(tài)科學(xué)等學(xué)科的新型材 料，在保持資源平衡、能源平衡和環(huán)境平衡，實現(xiàn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā) 展等方面將起到非常重要的作用。如果在生產(chǎn)和生活中廣泛使用，實現(xiàn)社 會的可持續(xù)發(fā)展，使資源和能源得到有效的利用，使我們的生產(chǎn)和生活環(huán) 境得到有效的保護(hù)就不再是夢想。新材料代表著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向和社 會發(fā)展進(jìn)步的趨勢，必將對人類社會進(jìn)步起到巨大的推動作。除了新材料外，還有其他的一些措施來保護(hù)我們的環(huán)境與資源，如，嚴(yán) 格控制新建高耗能、高污染項目；嚴(yán)把土地、信貸兩個閘門，提高節(jié)能環(huán)保市場 準(zhǔn)入門檻;建立高