人类能源发展中的化学李达

人类能源发展中的化学作者：李达51511191013701020304综述古代能源利用与化学新时代的能源化学总结目录/contents05参考文献01综述PartOne综述能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称，包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。能源是人类文明进步的先决条件，是经济和社会发展的重要物质基础。在分别以火的使用、化石能源的大规模使用、电力的大规模使用为代表的三次能源革命中，化学始终起着十分重要的推动作用。在正在到来的以新能源使用为代表的第四次能源革命中，化学学科的进步无疑仍将引领能源发展潮流，发挥作用。02古代能源利用与化学PartTwo火的发现与人工取火在旧石器时代,人类已经开始使用火。在中国距今170万年以前的云南元谋人遗址中,发现含炭层厚达3米左右。这些炭屑,小的如芝麻,大的如黄豆。这有可能是世界上最早的用火遗迹。这一时期的人类主要是从雷击、山火等天然火源获得火种来用火的。从现有资料可以推断，到了旧石器时代后期，人类就掌握了人工取火的方法。人类对火的认识，经历了从畏惧火到使用天然火种再到人工取火的过程。人工取火方法的发明是人类历史上一件划时代的大事。在这一过程中，人类掌握了通过敲击和摩擦把机械能转化为热能的经验知识，也掌握了通过燃烧利用燃料能源的方法。从这个层面上说，人工取火技术的发明是人类利用能源历史的开端。当人类已经可以享受取用火的自由的时候,火很快使金属冶炼、烧制陶器许多化学反应的发生成为可能,原始化学工艺活动就随之展开了。从这个方面看来，火的发现也是化学史的开端。原始青铜器原始陶器燧石敲击取火古代化学和能源科学的发展从发现火到18世纪初，人类对于能源的利用取得了一定的进步，除了以薪柴和木炭燃烧为代表的火力外，还增加了水力、风力等自然力作为能源。值得一提的是，此时在我国化石能源也已经开始大规模使用，宋朝时，煤炭在京都汴梁已是家用燃料，庄季裕在《鸡肋篇》云：“数百万家，尽仰石炭，无一家燃薪柴火者”即是明证。但是，从总体来看人类所能利用的能源总量并无革命性的增长，生产活动的主要能源仍然是以人力和畜力为代表的肌肉力量而非机械动力。直到瓦特改良蒸汽机，化石燃料中的能源得到充分的利用，人类对能源的利用才取得了革命性的突破。在此期间，化学主要处于炼金术时期，并没有对能源科学的发展起到多大的推动作用，但应用化学的进步使得冶金技术得到发展，高质量金属产量大大提高，使得大规模生产蒸汽机成为可能，客观上对第二次能源革命起到了重要的推动作用。《天工开物》火井煮盐图（火井即天然气井）《天工开物》炼铁图风车磨坊蒸汽时代的到来早在公元60年，古希腊的希罗就设计过以蒸汽为动力的装置，此后东西方均出现了许多以蒸汽为动力驱动装置工作的设想。但当时既缺乏制造机器所需的数学与物理知识，更缺乏优质的，能抵抗蒸汽压力而保持气密性的金属材料。直到1740年，全英国的钢铁产量只有1.7万吨，只有今天的千分之一，而且主要是生铁而非钢。因此真正的蒸汽机不可能产生。18世纪以后，钢铁冶炼技术技术逐渐成熟，1709年，A·达比采用焦炭取代木炭炼铁，获得成功，并很快获得了这项技术专利。1750年，B·亨茨曼发明坩埚炼钢工艺。坩埚炼钢工艺是转炉炼钢技术发明前最重要的炼钢方法，是欧洲历史上钢首次被熔化冶炼。蒸汽时代的到来在条件逐渐成熟后，真正的蒸汽机就产生了。1711年，纽科门造出了第一台实用的蒸汽机。纽科门蒸汽机经瓦特于1769年改良，其效率提高了5倍而耗煤降低了3/4。瓦特蒸汽机发明后迅速推动了能源革命的进展，化石能源开始受到重视，逐渐被大规模使用。英国煤产量从1790年的260万吨猛增至1836年的3000万吨。随着瓦特蒸汽机的推广和化石能源的大规模使用，人类踏入了以煤炭为主要能源的蒸汽时代。蒸汽机的发明是人类科学技术活动长期持续进行改进的结果，蒸汽时代的到来，与以牛顿力学热学原理和化学冶金技术为代表的科技进步是分不开的。可以说，没有化学进步就没有蒸汽时代。古希腊希罗的“汽转球”工业革命时期的英国炼铁高炉瓦特和他的蒸汽机照片电气化时代蒸汽时代的到来使得人类的主要能源变为化石能源，后来出现的以石油为燃料的内燃机更是加剧了这一趋势。依赖于对化石能源的大规模使用，人类获得了前所未有的力量。1682年法国建造的大型水车，据测算功率最多不会超过100kW，当时就已经被誉为世界第八大奇迹，而到1893年，德国人奥托发明的功率达到150kW的内燃机已经可以量产。化石能源带来了人类难以想象的力量，推动着社会进入工业化。然而，化石能源提供的动力虽然强大，却难以集中和分配，在装备有大型蒸汽机的工厂、火车锅炉房固然有强大的机器来完成工作，但这种动力无法普及到民间。人类已经能用15天横渡大西洋，但普通民众的生活与几个世纪前毫无分别。在这样的情况下，电力应运而生。电气化时代人类对电的研究由来已久，无论是东方还是西方，都有古代人关于电学现象的记载。但是当时没有稳定的电源，只能对一些简单的静电现象进行研究。电学研究的突破始于伏打电池的发明。1800年伏打通过实验发现将两种不同的金属浸在盐水中就能产生电流。这一发现立刻引起了极大的轰动，并有力的推动了电学的进展。以伏打电池作为电源，安培、奥斯特等人进行实验，发现了大量电学定律。在他们的基础上，法拉第于1831年发现电磁感应现象并发明了第一台发电机和电动机。后来经过亨利、西门子等人的努力，发电机与内燃机结合起来，形成了强大而稳定的电力，使人类进入了电气化时代。电气化时代的到来是一系列科技进步的结果，而这些科技进步最初都发端于伏打的第一个化学电池。伏打电池的发明，得益于化学的发展，他所用的铝、锌等实验材料大部分也都是靠着炼金术以来化学的发展而得以制备的。电力的能源革命，是科学技术进步促进能源发展的绝好例子，化学在此次能源革命中，也扮演了十分重要的角色。伏打电堆照片与示意图法拉第制作的第一台发电机西门子发电机示意图03新时代的能源与化学PartThree新时代的能源与化学当前世界能源消费以化石能源为主，随着经济社会的发展，人类面临化石能源日益减少的能源危机挑战；同时，大规模开发和利用化石能源带来的气候变化、生态破坏等严重问题，直接威胁着人类社会的可持续发展。面对这些挑战，人类需要新的技术突破，需要一场新的能源革命。这次能源革命将包括化石能源的高效、洁净化利用和新的可再生能源、清洁能源的开发这几个方向。而无论是能源革命的哪个方向，都有赖于化学发展的推动。在人类能源发展当中，化学的地位正变得愈发重要。1860年以来人类能源结构变化示意图化石能源的高效清洁化利用化石能源是当前人类最重要的能源。化石能源的大规模使用使人类步入了现代化社会，但无节制的开采与使用化石能源同时也给人类带来了十分恶劣的影响。如今人们已经意识到，高效清洁化利用化石能源已经刻不容缓。对化石能源的高效清洁化利用包括煤炭液化、气化技术、洁净煤技术等等。而这些技术的开发与实行，都离不开能源化学发展的推动。化石能源的高效清洁化利用为了减少环境污染，提高煤炭利用效率，减少浪费，降低CO2排放量，生产便于运输的燃料，人们开发出了煤炭液化技术。煤炭液化的方法可分为直接液化、间接液化两大类。煤的直接液化是让煤在高温高压下与氢反应，使之降解和加氢而转化为液态烃，所以又称为煤的加氢液化。在这种条件下，煤结构被深度破坏，其芳环网状结构的薄弱交联处如醚键、亚甲基键等断裂，形成大小不同的自由基碎片。在外界存在氢的条件下，这些自由基通过加氢而自稳定化，形成各种低分子烃类和水等。煤的间接液化是指先以煤为原料气化成合成气，再通过催化剂作用使合成气转化为液态燃料和化学品的过程。其生产工艺主要是费-托工艺，即先通过煤气化反应C+H2O→CO+H2和C+½O2→CO获得合成气，再进行合成反应，包括烷烃化反应nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O、高级醇反应nCO+2nH2→CnH2n+1OH+(n-1)H2O等。几种煤炭直接液化工艺示意图化石能源的高效清洁化利用煤炭气化反应能大大提高煤利用的效率。煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15%~18%，而经过煤炭气化处理后可提升至55%~60%。此外，煤炭气化还可以使煤在燃烧前脱除硫氮组分，降低污染，并有便于运输的好处。19世纪以来，研究出的煤炭气化方式已有上百种，但主要的仍是高温干馏、发生炉气化、水煤气化、加氢气化这四种。煤的高温干馏是将煤在隔绝空气的条件下加热至600~800℃，使煤中有机物热分解，产生主要含氢气和甲烷的焦炉煤气。煤的发生炉气化是将空气通入红热的煤层，发生一系列氧化还原反应如C+½O2→CO等而得到含少量CO和H2的空气煤气的过程。煤的水煤气化是将水蒸气气通入红热的煤层，发生反应C+H2O→CO+H2而得到水煤气的过程。煤的加氢气化是将以上过程产生的各种煤气转变为富含甲烷的洁净煤气的过程，例如令水煤气化过程产生的CO和H2在镍催化的作用下合成甲烷(即甲烷化反应）CO+3H2→CH4+H2O等。联产式煤炭气化工艺示意图新能源技术的开发利用要解决当前人类面临的环境与能源的双重危机，仅靠提高化石能源的利用效率和减小污染是不够的，还必须开发能够代替化石能源的新能源。新能源技术包括光伏电池技术、燃料电池技术、生物质转化技术、聚变反应堆技术、地热发电技术、潮汐发电技术、氢能利用技术等等。这些新能源技术的开发与实现都离不开化学原理，限于篇幅，此处仅讨论氢能利用技术和生物质转化技术。氢能利用技术氢气具有质量小、热值高、燃烧性能好、无污染、导热性好、储量丰富、可循环使用、储存方式多样等作为能源的诸多优点，因而受到世界各国广泛的重视。要想将氢作为能源首先应有包括制取、储存、运输、应用在内的一套完整的技术系统。工业制取氢气的技术有水煤气法、裂解天然气法、电解水法、热化学分解水法、光化学分解水法等等。目前工业生产氢气的方法主要是裂解天然气法和水煤气法，但为解决能源危机，不应再考虑使用化石能源制氢，而应将思路转向从水制取氢气。电解水法由于效率较低，耗能巨大，一般只见于产能严重过剩的国家。氢能要想发展成为主要能源，更大可能是在热化学分解水法和光化学分解水法上取得突破。氢能利用技术光化学分解水法的关键是寻找合适的催化剂，目前看来主要有半导体催化剂和配合物催化剂两类。半导体催化的原理是通过光阳极受光照射后因光电效应而使其中电子被激发到导带上，在电解质存在条件下与对极(通常是添加的铂黑)间产生电流，使水中质子接受电子转化为氢气。目前使用的半导体主要是TiO2，但其具有禁带宽度较大，最大吸收波长小的特点，不能利用可见光，为解决这一问题，可以采用在TiO2中掺杂其他禁带宽度相对较小的半导体如WO3、ZnO等的方法。此外，若在TiO2中加入过渡金属离子如Fe、Cu等形成杂质置换缺陷，有可能产生活性中心而增加其催化活性。配合物催化实际上是对光合作用光反应过程的模拟。科学家发现钌的某些配合物具有和叶绿素类似的功能，即被光照射后诱发电荷分离，经一系列偶联作用将水氧化。氢能利用技术要想直接使水热分解产生氢气，需要4300K以上的高温，这显然是不现实的，因此热化学分解水法必须依赖于某种循环试剂。有循环试剂的热驱动化学制氢原理可以归纳如下：AB+H2O+热→AH2+BOAH2+热→A+H22BO+热→2B+O2A+B+热→AB式中AB就是循环试剂。在循环试剂存在的情况下，就可以在较低的温度下实现水的分解。目前已经研发了二十多种循环试剂，其中比较有潜力的是1980年提出的硫-碘循环：SO2+2H2O+I2→H2SO4+2HI2HI→H2+I22H2SO4→2SO2+O2+2H2O总反应2H2O→2H2+O2硫-碘循环法制氢原理示意图氢能利用技术氢在一般条件下以气态条件存在，且易燃、易爆，给氢的储存和运输带来了很大的困难。因此为实现氢能大规模利用，必须解决储氢问题。当前较好的储氢方法主要有金属氢化物储氢法、吸附储氢法等。当氢气和一些金属材料结合在一起的时候，在金属材料表面分解为氢原子，氢原子扩散进入合金内部直至与合金发生反应而生成金属氢化物，氢以原子态储存在金属结晶点内（四面体与八面体间隙位置），被限制在晶格中。随着条件的改变，如氢气压力降低，吸入到储氢合金中的氢原子又可以释放出来结合为氢分子，使氢气得到利用，达到在一定温度和压力下，进行可逆充放氢的目的。吸附储氢法包括物理储氢和化学储氢，物理储氢主要是使用碳纳米管等材料物理吸附氢气分子，而化学吸附则使用TiS2等二元组分纳米管。这类材料与石墨的结构相当相似，由一层金属和两层硫复合而成，在金属层的催化下氢气分子裂解并与硫成键而被吸附。MoS2晶体结构示意图金属储氢原理示意图生物质能转化技术生物质能是以生物质为载体的能量，是一种理想的可再生能源。天然产生的生物质具有热值和燃烧品质低、体积大不易运输等缺点，因此要通过一定手段进行转换才能大规模使用。生物质能转化的技术主要有生物质的气化、液化两种。生物质气化是指固体物质在高温条件下与气化剂反应得到小分子可燃气体的过程。通常所说的气化,还包括生物质的热解过程。所用气化剂不同(如空气煤气、水煤气、混合煤气、氧气等),得到的气体燃料组分也不同,产出的气体主要有CO、H2、CO2、CH4、N2以及CnHm等烷烃类碳氢化合物。生物质液化是指通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化是把生物质放在高压设备中,添加适宜的催化剂,在一定的工艺条件下反应,制成液化油,作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。间接液化就是把生物质气化成气体后,再进一步进行催化合成反应制成液体产品。生物质液化工艺示意图04总结PartFour人类从旧石器时代发展到今天，已经经历了三次能源革命，每一次都令人类改变自然，利用自然的能力大大提升。火的使用使人类成为整个大地的主宰，化石能源的使用使人类能够以机器力量而非肉体力量对抗自然，电的使用使每个人都能利用现代化的力量来武装自己。可以说人类文明的演进中能源扮演了极其重要的推手作用。而人类能源利用水平的进步也离不开化学的进步，回首历次能源革命莫不如是。今天的世界正面临着能源短缺和环境污染的危机，为了全人类的可持续，第四次能源革命势在必行。而在新一次的能源革命中，化学的作用仍旧不可或缺。在可以期待的未来，能源革命势必将随着化学的进步而深化推进，带给人类更好的明天。05参考文献PartFive[1]陈军,陶占良.能源化学[M].化学工业出版社,2004[2]袁权.能源化学进展[M].化学工业出版社,2005[3]克劳士比(美).人类能源史--危机与希望[M].中国青年出版社,2009.[4]柏廷顿(英).化学简史[M].中国人民大学出版社,2010[5]陈虹锦,谢少艾,张卫,等.无机与分析化学[M].科学出版社发行处,2008.[6]延涛,田洪斌.能源与技术革命[J].陕西财经学院学报,1984(01):32-39.[7]张海龙.中国新能源发展研究[D].吉林大学,2014.[8]缪坤和,周智生.