化學(xué)與能源1課件

化學(xué)與能源.能源的定義關(guān)于能源的定義，目前約有20種。例如：《科學(xué)技術(shù)百科全書》說：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源”；《大英百科全書》說：“能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽光和風(fēng)的術(shù)語，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”；《日本大百科全書》說：“在各種生產(chǎn)活動(dòng)中，我們利用熱能、機(jī)械能、光能、電能等來作功，可利用來作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源”；我國的《能源百科全書》說：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源。”可見，能源是一種呈多種形式的，且可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。

.能源的定義根據(jù)世界能源會(huì)議規(guī)定：“能源是使某一系統(tǒng)產(chǎn)生對外部活動(dòng)的能力?！笔亲匀唤缈杀蝗祟愑脕慝@取各種形勢能量的自然資源。是指一切能量比較集中的含能體(如煤炭、天然氣等)和能量過程(如風(fēng)、潮汐)。.能源的分類按來源分為3類：來自地球外部天體的能源（主要是太陽能）。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來，煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的，它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。地球本身蘊(yùn)藏的能量。通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。如原子核能、地?zé)崮艿?。地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量。地球可分為地殼、地幔和地核三層，它是一個(gè)大熱庫。地殼是地球表面的一層，一般厚度為幾公里至70公里不等。地殼下面是地幔，它大部分是熔融狀的巖漿，厚度為2900公里?；鹕奖l(fā)一般是這部分巖漿噴出。地球內(nèi)部為地核，地核中心溫度為2000度。地球上的地?zé)豳Y源貯量很大，溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。

.按能源的基本形態(tài)分類一次能源二次能源即天然能源，指在自然界現(xiàn)成存在的能源，一次能源又分為可再生能源（水能、風(fēng)能及生物質(zhì)能）和非再生能源（煤炭、石油、天然氣、油頁巖等）。水、石油和天然氣三種能源是一次能源的核心，它們成為全球能源的基礎(chǔ)；除此以外，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范圍?nèi)。二次能源則是指由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換成其他種類和形式的能量資源，電力、煤氣、汽油、柴油、焦炭、潔凈煤、激光和沼氣等能源都屬于二次能源。

.煤炭、石油、天然氣、泥炭、木材

按能源性質(zhì)分類燃料型能源非燃料型能源水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能地?zé)崮?根據(jù)能源消耗后是否造成環(huán)境污染分類污染型能源煤炭、石油等清潔型能源水力、電力、太陽能、風(fēng)能以及核能等.根據(jù)能源使用的類型分類常規(guī)能源新型能源包括一次能源中的可再生的水力資源和不可再生的煤炭、石油、天然氣等資源包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物能以及用于核能發(fā)電的核燃料等能源新型能源----地?zé)崮?再生能源和非再生能源凡是可以不斷得到補(bǔ)充或能在較短周期內(nèi)再產(chǎn)生的能源稱為再生能源，反之稱為非再生能源。風(fēng)能、水能、海洋能、潮汐能、太陽能和生物質(zhì)能等是可再生能源；煤、石油和天然氣等是非再生能源。地?zé)崮芑旧鲜欠窃偕茉?，但從地球?nèi)部巨大的蘊(yùn)藏量來看，又具有再生的性質(zhì)。.能量轉(zhuǎn)化各種能源形式可以互相轉(zhuǎn)化，在一次能源中，風(fēng)、水、洋流和波浪等是以機(jī)械能(動(dòng)能和位能)的形式提供的，可以利用各種風(fēng)力機(jī)械（如風(fēng)力機(jī)）和水力機(jī)械（如水輪機(jī)）轉(zhuǎn)換為動(dòng)力或電力。煤、石油和天然氣等常規(guī)能源一般是通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。熱能可以直接利用，但大量的是將熱能通過各種類型的熱力機(jī)械（如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等）轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，帶動(dòng)各類機(jī)械和交通運(yùn)輸工具工作；或是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)送出電力，滿足人們生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。.能源、材料和信息被喻為人類社會(huì)發(fā)展的三大支柱，而能源又是材料和信息的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力和基礎(chǔ)。人類的文明始于火，通過燃燒把化學(xué)與能源緊密地聯(lián)系在一起。人類巧妙地利用化學(xué)過程中所伴隨的能量變化，創(chuàng)造了五光十色的現(xiàn)代物質(zhì)文明。社會(huì)進(jìn)步的歷史表明，每一次能源技術(shù)的創(chuàng)新和突破都給生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步帶來重大而深遠(yuǎn)的變革。.能源發(fā)展史人類從上古時(shí)代茹毛飲血的野蠻，進(jìn)化到現(xiàn)代高度文明，始終與不斷開發(fā)并使用能源密不可分。人類的發(fā)展史可以看到能源品種的不斷開發(fā)不斷更替的作用。根據(jù)各個(gè)歷史階段所使用的主要能源，可以分為柴草時(shí)期、煤炭時(shí)期和石油時(shí)期。.大約在25,000——35,000年前，人類知道了不依靠天然火而自行取火。最初的火（直到十八世紀(jì)），主要用來燒熟食物和取暖。.柴草時(shí)期鉆木取火是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的方法。于是，人類掌握了不同形態(tài)的能量間的轉(zhuǎn)換。從此人類便開始利用來自自身以外的能量，擴(kuò)大自己對大自然的支配能力。.人類在利用柴火的過程中，產(chǎn)生了支配自然的能力從而成為萬物之靈。容易再生！.煤炭時(shí)期煤炭的開采始于13世紀(jì)，而大規(guī)模開采并使其成為世界的主要能源是18世紀(jì)中葉。1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，煤炭作為蒸汽機(jī)的動(dòng)力之源而受到關(guān)注。.煤炭時(shí)期蒸汽機(jī)的發(fā)明—第一次工業(yè)革命。煤炭的利用使人類獲得了更高的溫度，推動(dòng)了冶金技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)革命后100多年生產(chǎn)力的發(fā)展促進(jìn)了人類近代社會(huì)的進(jìn)步。.石油時(shí)期二次大戰(zhàn)后，發(fā)現(xiàn)了大型的油田和伴生的天然氣，每噸原油產(chǎn)生的熱量比每噸煤高一倍。石油煉制得到的汽油、柴油等是汽車、飛機(jī)等用的內(nèi)燃機(jī)燃料。.新能源時(shí)期常規(guī)能源（如煤炭、石油和天然氣）的燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能和光能，同時(shí)生成二氧化碳、水和其它無機(jī)物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為二氧化硫和氮氧化物而造成大氣污染。同時(shí)人類對化石燃料的消費(fèi)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了動(dòng)植物經(jīng)地質(zhì)作用形成化石能源的速度，因此化石能源面臨著被消耗殆盡的危險(xiǎn)。隨著化石能源的枯竭，太陽能、物體運(yùn)動(dòng)能、原子能、氫能等新型能源將取代煤炭、石油和天然氣而成為人類的主要能源，這是將要到來的新能源時(shí)期。.世界能源結(jié)構(gòu).常規(guī)能源——化石燃料煤、石油、天然氣是當(dāng)今世界上最重要的化石燃料(又叫礦物燃料)，是主要的能源。能源利用比例.煤—黑色金子煤的形成：煤主要是由古代植物在地下隔絕空氣的條件下，經(jīng)過長期的一系列復(fù)雜的化學(xué)變化和生物變化，形成的一種由有機(jī)物和無機(jī)物所組成的復(fù)雜的混合物。煤的主要成分是碳，還含有氫、氧、氮及硫、磷等48種元素。按煤的變質(zhì)程度由低到高可分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤四大類。煤的形成示意圖.煤在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中位居榜首（約占70%），煤的年消費(fèi)量在10億噸以上，其中30%用于發(fā)電和煉焦，50%用于各種工業(yè)鍋爐、窯爐，20%用于人民生活。就是說煤的大部分是直接燃燒掉的，其中C、H、S及N分別變成CO2、H2O、SO2及NOx，這樣熱利用效率并不高，如煤球熱效率只有20%~30%；蜂窩煤高一點(diǎn)，可達(dá)50%，而碎煤則不到20%。至于工業(yè)鍋爐用煤的熱效率不僅與爐型結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與煤的質(zhì)量、形狀、顆粒大小都有關(guān)系。.煤炭煤炭，是指原煤，不包括洗煤、選煤及其他煤炭制品。煤炭是儲(chǔ)量最豐富的化石燃料。世界煤炭可采儲(chǔ)量約1012t，中國約占11%，僅次于俄羅斯和美國，處于第三位。煤炭既是重要的能源，也是重要的化工原料。煤炭是一類具有高碳?xì)浔鹊挠袡C(jī)交聯(lián)聚合物與無機(jī)礦物所構(gòu)成的復(fù)雜混合物。煤炭有機(jī)大分子由許多結(jié)構(gòu)相似但又不相同的結(jié)構(gòu)單元組成。結(jié)構(gòu)單元的核心是縮合程度不同的稠環(huán)芳香烴，及一些脂環(huán)烴和雜環(huán)化合物。結(jié)構(gòu)單元之間由氧橋及亞甲基橋聯(lián)接，它們還帶有側(cè)鏈烴基、甲氧基等基團(tuán)。大分子在三維空間交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，一些小分子以氫鍵或范德華力與其相連。無機(jī)礦物被有機(jī)大分子所填充和包埋，形成復(fù)雜的天然“雜化”材料。.煤炭有實(shí)用價(jià)值的綜合利用主要有煤的干餾、氣化和液化。將煤粉放在隔絕空氣的煉焦?fàn)t中加熱，即煤的干餾。由此得到焦炭、煤焦油、炔爐氣、粗氨水和粗苯等。這些產(chǎn)物可用于生產(chǎn)化肥、塑料、合成橡膠、合成纖維、炸藥、染料、醫(yī)藥等。三段式煤干餾爐.煤的氣化：把煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過程。煤與有限的空氣和水蒸氣反應(yīng)，得到—種氣態(tài)混合物，稱之為半煤氣：如果將煤在高溫時(shí)與水蒸氣反應(yīng)即可制得水煤氣，這種氣體的燃燒熱比半水煤氣高1倍。.煤的液化：把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的過程。煤與液態(tài)烴在化學(xué)組成上的差別在于煤的氫碳原子比(即H/C)低(一般石油烴的H/C約為1．8)。為使煤液化，需要加氫。南非的煤炭“間接”液化工藝-------Sasol工藝.潔凈煤技術(shù)潔凈煤技術(shù)（cleaningcoaltechnology）是旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、轉(zhuǎn)換和污染控制新技術(shù)的總稱。包括了煤炭使用過程各環(huán)節(jié)的凈化和污染防治技術(shù)，是當(dāng)前世界各國解決燃煤污染的主導(dǎo)技術(shù)。分為四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，14個(gè)技術(shù)方面：煤炭加工領(lǐng)域——選煤、型煤和水煤漿技術(shù)；燃煤與發(fā)電領(lǐng)域——循環(huán)流化床燃煤發(fā)電技術(shù)、增壓硫化床發(fā)電技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)；煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域——?dú)饣c焦化、液化和燃料電池技術(shù)；污染排放控制及廢棄物處理領(lǐng)域——煤層氣開發(fā)利用、煙氣凈化、粉煤灰利用、煤矸石及礦井水資源化處理、中小鍋爐改造或減排放技術(shù)。.石油—工業(yè)的糧食石油有“工業(yè)的血液”、“黑色的黃金”等美譽(yù)，自20世紀(jì)50年代開始，在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油躍居首位。石油產(chǎn)品的種類已超過幾千種。石油是國家現(xiàn)代化建設(shè)的戰(zhàn)略物資，許多國際爭端往往與石油資源有關(guān)?，F(xiàn)代生活中的衣、食、住、行直接地或間接地與石油產(chǎn)品有關(guān)。石油是由遠(yuǎn)古時(shí)代沉積在海底和湖泊中的動(dòng)植物遺體，經(jīng)千百萬年的漫長轉(zhuǎn)化過程而形成的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。直接從地殼開采出來的石油稱之為原油，原油及其加工所得的液體產(chǎn)品總稱為石油。.原油加工示意圖.石油石油是碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮?~50個(gè)左右碳原子的化合物，按質(zhì)量計(jì)，其碳和氫分別占84%~87%和12%~14%，主要成分為直鏈烷烴、支鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。石油中的固態(tài)烴類稱為蠟。此外，石油中還含有少量由C、H、O、N和S組成的雜環(huán)化合物。原油中硫含量變化很大，大約在0%~7%之間，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。氮含量遠(yuǎn)低于硫，約為0%~0.8%，以雜環(huán)系統(tǒng)的衍生物形式存在，如噻唑類、喹啉類等。此外，石油中還含有其它的微量元素。.汽油和汽油的標(biāo)號辛烷值常用來衡量汽油的抗震程度，把抗震性較好的異辛烷的辛烷值定為l00，爆震性極強(qiáng)的正庚烷的辛烷值定為零，把汽油的抗震性和這兩種烴的不同比例的混合物進(jìn)行比較，就可以得到該汽油的相對辛烷值。為了提高汽油的辛烷值，過去廣泛使用的一種方法是在汽油中添加少量抗震劑—四乙基鉛；現(xiàn)在為了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚作為高辛烷值組分。目前，我國使用的車用汽油標(biāo)號就是按照汽油的辛烷值大小劃分的，例如90號汽油表示該汽油的辛烷值不低于90。.天然氣naturalgas天然氣是蘊(yùn)藏在地層中的可燃性碳?xì)浠衔餁怏w，其成因和形成歷史與石油相同，二者可能伴生，但一般埋藏部位較深。據(jù)國際經(jīng)驗(yàn)，每噸石油大概伴有1000m3

的天然氣，所以能源工作機(jī)構(gòu)及能源結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)往往把石油和天然氣歸并在一起。天然氣主要成分是甲烷，但也含有相對分子質(zhì)量較大的烷烴，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，碳原子數(shù)超過5的組分在地下高溫環(huán)境中，以氣態(tài)開采出來，但在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下是液體。天然氣中各組分的含量常隨相對分子質(zhì)量的增大而下降，其中還含有SO2、H2S及微量稀有氣體。.天然氣我國最早開發(fā)使用天然氣的是四川盆地，20世紀(jì)末和本世紀(jì)初，在陜、甘、寧地區(qū)的長慶油田和新疆的塔里木盆地發(fā)現(xiàn)了特大型氣田，目前正在開發(fā)建設(shè)中。目前，長慶油田的天然氣已經(jīng)輸送至北京、西安等地，塔里木盆地的天然氣將“西氣東輸”至上海。除北京、天津、西安等城市的部分居民已經(jīng)使用管道天然氣外，“西氣東輸”經(jīng)過的地區(qū)也將逐步使用管道天然氣。天然氣是最“清潔”的燃料，燃燒產(chǎn)物CO2和H2O，都是無毒物質(zhì)，并且熱值也很高（56kJ?g-1），管道輸送也很方便。.石油和天然氣作為燃料在燃燒過程中也會(huì)產(chǎn)生SO2和NOx等有害氣體，汽車尾氣是氮氧化物的主要來源，對大氣造成污染。石油和天然氣脫硫、脫氮一直是石油化學(xué)工業(yè)的重要研究內(nèi)容。.可燃冰可燃冰是天然氣的一種存在形式，是天然氣的水合物。它是一種白色固體物質(zhì)，外形像冰雪，有極強(qiáng)的燃燒力，可作為上等能源。天然氣水合物由水分子和燃?xì)夥肿?，主要是甲烷分子組成，此外還有少量的硫化氫、二氧化碳、氮和其它烴類氣體。在低溫（－10℃~10℃）和高壓（10MPa以上）條件下，甲烷氣體和水分子能夠合成類冰固態(tài)物質(zhì)，具有極強(qiáng)的儲(chǔ)載氣體的能力。.天然氣水合物分子結(jié)構(gòu)式為：CH4·nH20。這種天然水合物的氣體儲(chǔ)載量可達(dá)其自身體積的100~200倍，1m3

的固態(tài)水合物包容有約180m3

的甲烷氣體。這意味著水合物的能量密度是煤和黑色頁巖的10倍，是傳統(tǒng)天然氣的2~5倍。在海洋中，約有90%的區(qū)域都具備天然氣水合物生成的溫度和壓力條件。目前公認(rèn)全球的“可燃冰”總能量是所有煤、石油、天然氣總和的2~3倍。H20分子

天然氣水合物分子結(jié)構(gòu).天然氣水合物是近20年來才被人們發(fā)現(xiàn)的，由于其能量高、分布廣、埋藏規(guī)模大等特點(diǎn)，正嶄露頭角，有可能成為本世紀(jì)的重要能源。全球天然氣水合物中的含碳總量大約是地球上全部化石燃料含碳總量的2倍，世界上絕大部分的天然氣水合物分布在海洋里，儲(chǔ)存在海底之下500m~1000m的水深范圍以內(nèi)。海洋里天然氣水合物的資源量約為1.8×108m3，是陸地資源量的100倍。.化學(xué)電源（chemicalmains）化學(xué)電源即化學(xué)電池，是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，通稱電池，主要分為一次電池（干電池）、二次電池（蓄電池）和燃料電池。.化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化目前，我國的電力資源主要來自火電和水電，

其中火電居于首位?；痣姡和ㄟ^化石燃料燃燒，使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱水使之汽化為蒸汽以推?dòng)蒸汽輪機(jī)，使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。燃燒（氧化還原反應(yīng)）是使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵。氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，因此在一定條件下可產(chǎn)生電流，即化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。.燃煤火力發(fā)電的基本原理與主要過程？思考交流燃煤火力發(fā)電的主要有哪些缺點(diǎn)？

1、燃煤資源有限2、環(huán)境污染嚴(yán)重

3、能量轉(zhuǎn)化率低怎樣將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能呢？原電池----將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置火力發(fā)電的實(shí)質(zhì)與特點(diǎn)？實(shí)質(zhì)：氧化還原反應(yīng)（煤和O2）；特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)多?；瘜W(xué)能熱能機(jī)械能電能燃燒

蒸汽

發(fā)電機(jī).一次電池一次電池即原電池（俗稱干電池），是放電后不能再充電使其復(fù)原的電池，通電電池有正極、負(fù)極以及容器和隔膜等組成。例如鋅錳電池、堿性鋅錳電池等。.電池符號：(-)Zn|ZnCl2,NH4Cl(糊狀)|MnO2|C(+)電極反應(yīng):(-)Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-(+)2MnO2+2NH4+(aq)+2e-→Mn2O3+2NH3(g)+2H2O(l)

電動(dòng)勢1.5V。它攜帶方便。但反應(yīng)不可逆，壽命有限。

1.鋅-錳干電池.鋅-錳干電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

.2.Cu-Zn原電池.3.鋅汞電池電池符號:(-)Zn(Hg)∣KOH(糊狀，含飽和ZnO)∣HgO∣C(+)電極反應(yīng):(-)Zn+2OH--2e-→ZnO+H2O(+)HgO(s)+H2O+2e-→Hg(l)+2OH-

鋅-氧化汞電池體積小能量高，貯存性能優(yōu)良，是常用電池中放電電壓最平穩(wěn)的電源之一。缺點(diǎn)是使用汞不利于環(huán)保。.二次電池二次電池（Rechargeablebattery)：二次電池又稱為充電電池，是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。充電電池的充放電循環(huán)可達(dá)數(shù)千次到上萬次，故其相對干電池而言更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。目前市場上主要充電電池有“鎳氫”、“鎳鎘”“鉛酸（鉛蓄電池）”、“鋰離子（包括鋰電池和鋰離子聚合物電池）”等。.鉛蓄電池電池符號(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)..連續(xù)電池在放電過程中可以不斷地輸入化學(xué)物質(zhì)，通過反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，連續(xù)產(chǎn)生電流的電池。

燃料電池就是一種連續(xù)電池。

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燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料，作為負(fù)極，用空氣中的氧作為正極。和一般電池的主要區(qū)別在于一般電池的活性物質(zhì)是預(yù)先放在入的，因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的量；而燃料電池的活性物質(zhì)（燃料和氧化劑）是在反應(yīng)的同時(shí)源源不斷地輸入的，因此，這類電池實(shí)際上只是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置。這類電池具有轉(zhuǎn)換效率高、容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等優(yōu)點(diǎn)，但由于成本高，系統(tǒng)比較復(fù)雜，僅限于一些特殊用途，如飛船、潛艇、軍事、電視中轉(zhuǎn)站、燈塔和浮標(biāo)等方面。.

氫氧燃料電池是以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵?。氫氧燃料電池工作時(shí)，向氫電極供應(yīng)氫氣，同時(shí)向氧電極供應(yīng)氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質(zhì)生成水。這時(shí)在氫電極上有多余的電子而帶負(fù)電，在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應(yīng)過程就能連續(xù)進(jìn)行。.世界上最快的氫燃料車在法國問世2004年9月20日，法國Marseille，Hysun3000燃料電池車從柏林行駛到巴塞羅那僅僅用了2公斤的氫燃料，創(chuàng)造了一個(gè)新的世界紀(jì)錄。從來沒有過汽車在僅僅使用氫燃料跑過這么遠(yuǎn)的路程。這種低消耗折合每100公里使用0.2升燃料。.Hysun汽車的核心部分是一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池。在這里氫和氧發(fā)生反應(yīng)生成水,產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)剎車的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，同時(shí)對電容器進(jìn)行控制。對于這種三輪車來說，它的空氣阻力僅僅是普通轎車的一半。不算駕駛員和氫燃料，車的重量為120千克，最大的時(shí)速為80公里每小時(shí)，平時(shí)巡游的時(shí)速為38公里每小時(shí)。.微生物燃料電池微生物燃料電池是一種高效能的電池，使細(xì)菌能從有機(jī)廢水中產(chǎn)生大量的氫，其氫產(chǎn)率是傳統(tǒng)發(fā)酵過程的4倍。這種微生物燃料電池不僅可以產(chǎn)生氫作為清潔能源，也可以凈化有機(jī)廢水。.手機(jī)電池目前手機(jī)常見電池類別Ni-MH（鎳氫電池）Li-ion（鋰離子電池）LiB（液體鋰離子電池)LiP（聚合物鋰離子電池）.鎳氫電池

鎳氫電池的電化學(xué)原理：以KOH作電解液（電解質(zhì)7moL/LKOH+15g/LLiOH）

充電時(shí)

正極反應(yīng)：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-

負(fù)極反應(yīng)：M+H2O+e-→MH+OH-

總反應(yīng)：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH

放電時(shí)

正極：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-

負(fù)極：MH+OH-→M+H2O+e-

總反應(yīng)：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2

以上式中M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金。最常用儲(chǔ)氫合金為LaNi5。

.鋰電池鋰是自然界最輕的金屬，單位重量的物質(zhì)能釋放較大的電能量。同時(shí)它又具有最負(fù)的電極電位（–3.045V)，選擇合適的正極與其相匹配，可以獲得較高的電壓。由于金屬鋰遇水會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)(拆手機(jī)電池?zé)齻种?!!!)，電解質(zhì)溶液選用固體電解質(zhì)(或高分子)。循環(huán)次數(shù)可達(dá)300-1K、充電效率高具備快速充電能力,無記憶效應(yīng)..電池標(biāo)稱電壓：3.7V/3.6V(因電芯設(shè)計(jì)工藝不同)充電截止電壓：4.2V/4.1V,電池放電下限：2.75V/2.7V。測量電壓判斷電池剩余容量（4.2V為例）：4.20V----100%,3.95V----75%,3.85V----50%,3.73V----25%,3.50V----5%,2.75V----0%.鋰電池的改進(jìn)橄欖磷酸鋰不久前已由美國麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)成功，其導(dǎo)電性能超過目前用于商品電池的導(dǎo)電材料許多倍，這意味著可以開發(fā)出電存儲(chǔ)容量極高的鋰電池。實(shí)驗(yàn)表明，電極采用橄欖磷酸鋰的電池的電存儲(chǔ)容量及產(chǎn)生的電能，比目前的鋰電池高出每克10％—20％。金屬鋰電池可以說是傳統(tǒng)鋰離子電池的改進(jìn)型。鋰金屬電池的質(zhì)量比能量是鋰聚合物電池和鋰離子電池的8倍，而且關(guān)鍵是它直接采用了鋰金屬，最大特點(diǎn)在于能充分發(fā)揮負(fù)極金屬材料的電池反應(yīng)，使新型電池的能源儲(chǔ)備量達(dá)到傳統(tǒng)鋰離子電池的2倍以上，而在放電容量方面，甚至能達(dá)到傳統(tǒng)產(chǎn)品的10倍。.太陽能電池太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。.太陽能電池工作原理：太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，光生空穴由n區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。太陽能電池工作原理..美國科學(xué)家試驗(yàn)給人類大腦充電隸屬于美國國家衛(wèi)生研究院神經(jīng)學(xué)研究所的“大腦功能提升”課題小組研究出：在人的前額裝上小電池，將很微弱的電流作用于人的前額部位腦神經(jīng)，20分鐘以后，試驗(yàn)對象的語言能力就會(huì)提高20%。這真是名副其實(shí)的充電，立竿見影。.化學(xué)電源與環(huán)保

在一次電池和二次電池中，含有汞、錳、鎘、鉛、鋅等重金屬，使用后如果隨意丟棄，就會(huì)造成環(huán)境污染。研究無污染電池和無害化處理是目前亟需解決的兩個(gè)方面。重金屬通過食物鏈后在人體內(nèi)聚積，就會(huì)對健康造成嚴(yán)重的危害。重金屬聚積到一定量后會(huì)使人發(fā)生中毒現(xiàn)象，嚴(yán)重的將導(dǎo)致人的死亡。因此，加強(qiáng)廢電池的管理，不亂扔廢電池實(shí)現(xiàn)有害廢棄物的“資源化、無害化”管理，已迫在眉睫。.電池的回收國際上通行的廢舊電池處理方式大致有三種：固化深埋、存放于廢礦井、回收利用。

固化深埋、存放于廢礦井處理方法中廢電池一般都運(yùn)往專門的有毒、有害垃圾填埋場，但這種做法不僅花費(fèi)太大而且還造成浪費(fèi)，因?yàn)槠渲猩杏胁簧倏勺髟系挠杏梦镔|(zhì)。.電池的回收利用方法：（1）熱處理。將舊電池磨碎后送往爐內(nèi)加熱，提取揮發(fā)出的汞，鋅，鐵等元素，并將氧化錳、氧化鋅、氧化銅和氧化鎳等金屬混合物作為金屬廢料直接出售。

（2）“濕處理”。將電池均溶解于硫酸，然后借助離子樹脂從溶液中提取各種金屬，用這種方式獲得的原料比熱處理方法純凈，因此在市場上售價(jià)更高，而且電池中包含的各種物質(zhì)有95%都能提取出來。（3）真空熱處理法。廢電池在真空中加熱，其中汞迅速蒸發(fā)，即可將其回收，然后將剩余原料磨碎，用磁體提取金屬鐵，再從余下粉末中提取鎳和錳。.氫能氫能是指以氫及其同位素為主體的反應(yīng)中或氫狀態(tài)變化過程中所釋放的能量。氫能包括氫核能和氫化學(xué)能，這里主要討論由氫與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而放出的化學(xué)能。氫作為二次能源進(jìn)行開發(fā)，與其它能源相比有明顯的優(yōu)勢：燃燒產(chǎn)物是水，堪稱清潔能源；氫是地球上取之不盡、用之不竭的能量資源而無枯竭之憂；1kg氫氣燃燒能釋放出142MJ的熱量，它的熱值高，與化石燃料相比，約是汽油的3倍、煤的5倍，研究中的氫—氧燃料電池還可以高效率地直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽哂惺謴V泛的發(fā)展前景。.氫燃料的制取①電解水：H2O→H2+O2

能量可用太陽能、電能。②熱分解水：H2O→H2+O2

催化劑：Ca、Br2、Hg等。溫度：730-1000℃③光分解水：H2O→H2+O2

催化劑：Ce4+，聯(lián)吡啶合釕④光電分解水：

以n型氧化鈦為電極電解水。.大規(guī)模制取氫氣，目前主要有水煤氣法、天然氣或裂解石油氣制氫。但作為氫能系統(tǒng)，此非長久之計(jì)，理由很簡單：因?yàn)槠湓蟻碓从邢?。由水的分解來制取氫氣主要包括水的電解、熱分解和光分解。水的電解和熱分解有能耗大、熱功轉(zhuǎn)化效率低、熱分解溫度高等缺點(diǎn)，不是理想的制取氫氣的方法。.有人提出一種最經(jīng)濟(jì)最理想的獲得氫能源的循環(huán)體系。.這是一種最理想的氫能源循環(huán)體系，類似于光合作用。整個(gè)過程分為兩個(gè)階段完成了一個(gè)循環(huán)：第一階段，使用光分解催化劑，利用太陽光的能量將H2O分解成H2和O2；然后再用H2和O2制備氫氧燃料電池，產(chǎn)物又重新變成了H2O。在第一階段中，太陽能被轉(zhuǎn)變成了化學(xué)能；第二階段化學(xué)能被轉(zhuǎn)變成了電能，并重新生成起始物質(zhì)——水。太陽能和水是用之不竭，而且價(jià)格低廉，急需研究的是尋找合適的光分解催化劑，它能在光照下促使水的分解速度加快。當(dāng)然氫發(fā)電機(jī)的反應(yīng)器和燃料電池也是需要研究的問題。.實(shí)現(xiàn)上述良性循環(huán)，將使人類永遠(yuǎn)可以各取所需地消耗電能。光分解水制取氫的研究已有一段歷史。目前也找到一些好的催化劑，如鈣和聯(lián)吡啶形成的配合物，它所吸收的陽光正好相當(dāng)于水分解成氫和氧所需的能量。另外，二氧化鈦和含鈣的化合物也是較適用的催化劑。酶催化水解制氫將是一種最有前景的方法，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些微生物，通過氫化酶誘發(fā)電子與水中氫離子結(jié)合起來，生成氫氣?？傊?，光分解水制取氫氣一旦成功突破，將使人類徹底解決能源危機(jī)的問題。.氫燃料的貯存H2密度小，運(yùn)輸和貯存都是很大問題。液氫，沸點(diǎn)低，常溫下壓力很大，對設(shè)備要求高。目前主要考慮貯氫金屬。1999年，我國研制出的納米碳管，是

很好的貯氫材料。在298K，200atm下碳納米管吸附氫（紅色）的模擬圖象.核能1.核裂變能—把重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，釋放出大量的能，此過程稱核裂變。.核裂變反應(yīng)是個(gè)連鎖反應(yīng)...原子彈爆炸秦山核電站..但是,核聚變需足夠高的溫度(109℃),足夠長的時(shí)間(1s)。而且要能人為控制不使爆炸。目前，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人工核聚變的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。.氫彈.太陽能太陽上進(jìn)行的反應(yīng)是核聚變反應(yīng)，質(zhì)量變化4×106噸，產(chǎn)生能量4×1023kJ。地球每天接受的輻射能可達(dá)6×1018kJ，其萬分之一，足夠人類消耗。..太陽能汽車..生物質(zhì)能(bio-energy)生物質(zhì)能是指由太陽能轉(zhuǎn)化并以化學(xué)能形式貯藏在動(dòng)物、植物、微生物體內(nèi)的能量。生物質(zhì)(biomass)本質(zhì)上是由綠色植物和光合細(xì)菌等自養(yǎng)生物吸收光能，通過光合作用把水和二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳水化合物而形成。一般說，綠色植物只吸收了照射到地球表面的輻射能的0.5％～3.5％。即使如此，全部綠色植物每年所吸收的二氧化碳約7×1011t，合成有機(jī)物約5×1011t。因此生物質(zhì)能是一種極為豐富的能量資源，也是太陽能的最好貯存方式。..生物質(zhì)能可以說是現(xiàn)代的、可再生的“化石燃料”，可為固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。它儲(chǔ)量大，使用普遍，含硫量低、充分燃燒后有害氣體排放極低。因此，在世界能源結(jié)構(gòu)中至今還占有十分重要的地位，尤其是在廣大的農(nóng)村和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)。稻草、劈柴、秸稈等生物質(zhì)直接燃燒時(shí)，熱量利用率很低，僅15%左右，即便使用節(jié)柴灶，熱量利用率最多也只能達(dá)到25%左右，并且對環(huán)境有較大的污染。目前把生物質(zhì)能作為新能源來考慮，并不是再去燒固態(tài)的柴草，而是要將它們轉(zhuǎn)化為可燃性的液態(tài)或氣態(tài)化合物，即把生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后再利用燃燒放熱。.大規(guī)模利用生物質(zhì)能的構(gòu)想.生物質(zhì)能資源豐富、可再生性強(qiáng)，是一種取之不盡，用之不竭的能源。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類將會(huì)不斷培育出高效能源植物、發(fā)現(xiàn)新的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)。生物質(zhì)能的合理開發(fā)和綜合利用必將對提高人類生活水平，為改善全球生態(tài)平衡和人類生存環(huán)境做出更積極的貢獻(xiàn)。.風(fēng)能（windenergy）這是利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電、提水、揚(yáng)帆助航等的技術(shù)，這也是一種可以再生的干凈能源。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高和市場的不斷擴(kuò)大，近年來風(fēng)力發(fā)電增長迅速。單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，國外有實(shí)力的企業(yè)正在開發(fā)3~5MW機(jī)組，目前兆瓦機(jī)組