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1、第二章 新能源与新能源材料,能源的重要性,人类的能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代的演变，在能源利用总量不断增长的同时，能源结构也在不断变化,随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来越多，能源对人类经济社会发展的制约和对资源环境的影响也越来越明显。,从现代经济社会发展看，能源问题的重要性主要表现在以下4个方面。1.能源是现代经济社会发展的基础2.能源是经济社会发展的重要制约因素,3.能源安全事关经济安全和国家安全,能源安全中最重要的是石油安全20世纪70年代发生的两次世界石油危机，导致主要发达国家经济减速和全球经济波动本世纪以来，石油价格不断攀升，2008年初原油期货价格超过10
2、0美元，油价上涨对全球经济特别是石油进口国经济产生较大影响，一些国家甚至因石油涨价引发社会动荡,4.能源消耗对生态环境的影响日益突出,能源资源的开发利用促进了世界的发展，同时也带来了严重的生态环境问题化石燃料的使用是CO：等温室气体增加的主要来源科学观测表明，地球大气中CO。的浓度已从工业革命前的280ppmv上升到了目前的379 ppmv；全球平均气温也在近百年内升高了0.74,国内外能源形势,1 全球能源基本状况与发展趋势:,(1)世界化石能源储量丰富，各国资源占有分布不均,世界上已经发现的能源资源分布极不平衡煤炭资源主要分布在美国、俄罗斯、中国、印度、澳大利亚等国家;石油资源各大洲都有分
3、布，但主要集中在中东地区及其他少数国家,(2)能源结构走向多元，化石能源仍是消费主体；2006年世界一次商品能源消费中石油占35.8，居第1位；煤炭占28.4，居第2位；天然气占23.7，居第3位;其次为水能和核能，分别占6.3和5.8预计在2030年前，石油、天然气和煤炭等化石能源仍将是世界的主流能源,(3)发达国家能源消费高位徘徊，发展中国家能源需求加快增长.发达国家已经处于能源消费的缓慢增长期；发展中国家为摆脱贫穷和落后，正致力于加快发展，其能源消费的增长也在加快,据国际能源署(International Energy Agency，IEA)预测，从20062030年全球能源需求总量将以
4、年均1.21.6的速度增长，其中70的需求增长来自发展中国家,(4)气候变化对能源发展影响加大，低碳和无碳能源成为新热点随着人们对CO2、CH4、N2O等温室气体排放与地球气候变化相互关系认识的不断加深，要求国际社会采取对策努力限制或减少温室气体排放的呼声越来越高;气候变化问题已成为世界能源发展新的制约因素，也是世界石油危机后推动节能和替代能源发展的主要驱动因素各国把核能、水能、风能、太阳能、生物质能等低碳和无碳能源作为今后发展的重点.,(5)国际能源问题政治化倾向明显，非供求因素影响增大目前，全球石油贸易量占能源贸易量的70以上20世纪70年代以来，世界石油市场经历了几次大的波动，一些石油输
5、出国与消费国以及多种国际势力相互博弈，非供求因素对国际油价波动的影响越来越明显,、我国当前的能源状况,(1)能源资源品种丰富，人均占有量较少中国有多种能源资源，其中水能和煤炭较为丰富，蕴藏量分别居世界第1和第3位；而优质化石能源相对不足，石油和天然气资源的探明剩余可采储量目前仅列世界第13和第17位,(2)能源建设不断加强，能源效率仍然较低,20世纪最后20年，中国以能源消费翻一番，支撑了经济总量翻两番。但也要看到，中国能源利用效率相对较低，能源生产和使用仍然粗放20032005年，单位GDP能耗上升；2006年以来加强了节能减排，单位GDP能耗有所下降，但要实现持续下降，还需要加大工作力度。
6、,(3)能源生产迅速增长，生态环境压力明显在需求快速增长的驱动下，中国能源生产增长很快，煤炭增长尤为迅速过去6年，中国原煤年产量增加了近12亿t，2007年产量达到254亿t，约占全球产量的40,4.能源消耗以煤炭为主，能源结构需要优化,能源的分类：,一次能源：二次能源：,可再生：可以循环再生，不会因长期使用而减少，如风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。,一次能源经过加工或转换得到的能源，如电力、各种石油制品、焦炭、煤气、热能等。,非再生：从自然界取得的未经任何改变或转换的能源，如水，煤、原油、天然气和天然铀矿等。,（一）太阳能,太阳能的优点：,太阳能的缺点：,1、最丰富
7、的能源。2、无处不在，不用运输。3、是一种洁净的能源。,1、能量密度较低，2、天气影响较大，,德国10万屋顶计划己于2003年6月完成;日本在光伏组件的产销量以及使用量等方面位居世界前列，日本计划到2030年左右将光伏组件的成本降低到7日元/Wh2005年人大通过了新能源法，以法律的形式推动我国的新能源建设，,目前，成本问题是制约太阳电池大规模应用的瓶颈。要真正使太阳能成为替代能，太阳电池的发电成本必须接近常规发电方式的成本。2005年，国际市场光伏组件的成本约.25美元/峰瓦(折合每千瓦时约0.09美元。国内光伏组件成本要高于国外，约40元人民币/峰瓦)，必须降至1美元/峰瓦以下才能实现上述
8、目标，中间还有很大的差距。在技术上实现创新和突破，发展廉价、高效的新一代太阳电池。,太阳能的利用,利用太阳能有三大技术领域：光热转换：光电转换：光化转换：太阳光化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应,太阳能的利用-光热转换,太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、成本最为低廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能。目前使用较多的太阳能收集装置有两种：一种是平板式集热器，如太阳能热水器等；另一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。,太阳能的利用-光电转换,太阳光电转换：主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统,太阳
9、能电池是一种将太阳能转变为电能的器件。太阳能电池的工作原理基于半导体的光生伏特效应，所以太阳能电池又称为光伏电池。光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。,半导体太阳能电池光电转换原理当光子入射到光敏材料时，在材料内部产生新的电子和空穴对，从而改变了材料的导电性质。在外电场作用下，电子移向正极，空穴移向负极，这样，外电路中就有电流流过。这种由于光激发而产生的电流称为光电流;这种现象就是光电导现象。,光电导的基本过程包括:a.光激发；b.载流子的产生；c.载流子的迁移。当光照射到光电转换材料时，只有光子的能
10、量大于该材料的禁带宽度Eg时，才可能把价带中的电子激发到导带中去，使价带产生空穴，,PN 结合型太阳能电池,P 型（电子多）半导体和N 型（空穴多）半导体结合处会形成电势。当芯片在受光过程中,带正电的空穴往P 型区移动,带负电子的电子往N 型区移动,在接上连线和负载后,就形成电流.,光电转化量子效率，即入射单色光子电子转化效率(monochromatic incidentphoton-to-electron conversion efficiency，用缩写IPCE表示)是描述材料光生电子能力的一个重要参数。定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位面积电极在单位时间内的入射单色光子数练之
11、比。,世界太阳能电池发展的主要节点1954 美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为61955 第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明Ga As太阳能电池1958 太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8。1959 第一个单晶硅太阳能电池问世。1960 太阳能电池首次实现并网运行。1974 突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18。1975 非晶硅及带硅太阳能电池问世1978 美国建成100KW光伏电站1980 单晶硅太阳能电池效率达到20多晶硅为14.5，GaAs为22.51986 美国建成6.5KW光伏电站1990 德国提出“2000光伏屋顶计划”1995 高效聚光GaAs太阳
12、能电池问世.。1997 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998 单晶硅太阳能电池效率达到24.7，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000 世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池,太阳电池的种类,硅太阳能电池,太阳电池的应用范围很广。例如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯。,硅太阳能电池是最早的太阳能电池材料。分为单晶硅和多晶硅两种：目前其生产成本为:4050元/瓦，转换效率约为13%。但有报道现在的单晶硅太阳能电池的效率可到20%。硅与其他材料相比，对太阳光吸收较差，Si层要求相当
13、厚才能吸收多数可见光，但是这又导致了需要相当高的工作电压，这两项相互矛盾，只能在两者之间找出一个平衡点。,商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位，而且可以确信这种状况在今后20年中不会发生根本的转变。,现在太阳能电池的主流产品的材料是半导体硅,是现代电子工业的必不可少的材料,同时以氧化状态的硅原料是世界上第二大的储藏物质.,从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅光吸收系数较低，所以研究其他光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且目前已经取得一定的进展，但是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电
14、池抗衡需要大量的工作去做。,无机化合物薄膜电池：；其中CdTe（碲化镉），从技术上来说是一个理想材料，该材料坚固耐用，但其生产过程的毒性问题难以被人们所接受。GaAs对可见光有高的吸收系数，使绝大部分的可见光在表面2微米以内的范围被吸收；有最佳的的禁带宽度，同时可以在相对较高的温度下工作;,CdS,GaAs等异质结、同质结太阳能电池研究也颇多，但都存在环境污染问题，而导致甚多争议。CuInSe2薄膜电池具有较高的转换效率，目前己经产业化，小面积的转换效率18%，但是在生产上还是有一些技术难关，如难以保证大面积范围内的化学计量比的组成和活性结节区域的复杂性。,功能有机高分子薄膜太阳能电池，这是太
15、阳能电池发展的另一个分支，过去，有机材料由于转换效率低、纯度差、光照射下不稳定等原因而很少受到注意。随着光电转换材料的进一步研究，有机高分子光电转换材料的低成本和易于加工成大面积等优点又被重新认识。与其它电池相比，目前正处于研发初期、转化效率较低、且使用寿命短。,但是它的优势在于:(I)有机物易于采用旋涂、湿法或者干法工艺成型;(II)100nm厚薄膜的有机高分子材料需要量相对小，并且与无机材料相比，更易于大规模生产;(III)为了调整各自的禁带宽度，价带和导电的能量，电荷输运，相容性以及其它的结构性能等，可以较方便地通过化学方法调整;(IV)有机高分子材料有很多种类的化学结构和性能，可选择性
16、大。,染料敏化TiO2纳晶太阳能电池，是无机半导体光电装置的低成本替代品。太阳能电池以较低的成本得到了7%的光电转化效率，开创了染料敏化太阳能电池的新纪元。,染料敏化太阳能电池是一种全新的太阳电池，发明至今不过十几年的时间里得到了广泛重视，全球有十多家大型实验室在从事这方面的应用研究，目前报道其最高的转换效率达到11.18%。目前，方方面面的理论基础和实践己经发展得较为成熟，已经正在准备实现产业化。,课后作业,Pleasse read at one paper about the new energy.How to found a paper you want?If you have time
17、,please see the movie“Wall-E”！,（二）氢能,氢能有许多优点，但也有缺点？,氢能源的缺点：（1）制备氢气的能耗问题（成本高）；（2）氢气的储存和运输等问题（安全问题）;,1、氢能具有热值高：如燃烧1kg相当于3kg汽油或4.5Kg焦炭2、资源丰富:丰富的水资源中含氢量达11.1；3、干净，无毒：燃烧后生成水，不产生二次污染；4、应用范围广，适应性强：可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。,氢能的来源与制备方法？,序号,申请号,其它能源储存和运输方法？,储氢材料：是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种材料。,储氢材料特性及储氢方法,储氢材料的特点：
18、在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢化物的形式贮存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以供使用。,储氢方法：1)：物理方法储氢：储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物理作用或物理吸附。包括高压压缩储氢、深冷液化储氢、活性炭吸附储气等；2)：化学法储氢储氢物质和氢分子之间发生化学反应、生成新的化合物，具有吸收或释放氢的特性。包括金属氢化物储氢、无机化合物储氢、有机液态氢化物储氢等。,1)：物理方法储氢：a普通高压气态储氢一种应用广泛、简便易行的储氢方式，而且成本低，充放气速度快，且在常温下就可进行。但其缺点是需要厚重的耐压容器，并要消耗较大的氢气
19、压缩功，存在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素。一个充气压力为15 MPa的标准高压钢瓶储氢重量仅约为1.0；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5。-高压钢瓶储氢的能量密度一般都比较低。,近年来开发的由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器，其储氢压力可达2060MPa。耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器，其储氢方法简单，成本低，储氢量可达510wt,由于高压气体具有潜在的危险性，考虑其经济性和安全性，要大规模储存氢气可采用加压地下储存。当有现成的密封良好而又安全可靠的地窖或开采过的空矿井、地下岩洞等，可以用于储氢，其成本低廉，但受地域限制，运输不便。,1)：物理方法储氢：b.低温液态储
20、氢：氢气在一定的低温下，会以液态形式存在。因此，可以使用一种深冷的液氢储存技术低温液态储氢。,液氢储存具有较高的体积能量密度。常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，体积能量密度比压缩储存要高好几倍；与同一体积的储氢容器相比，其储氢质量大幅度提高。液氢储存工艺特别适宜于储存空间有限的运载场合，如航天飞机用的火箭发动机、汽车发动机和洲际飞行运输工具等。,缺点：氢气液化要消耗很大的冷却能量；氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器,现在有一种壁间充满中空微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30一150m，中间空心，在部分微珠上镀上厚度为lm的铝可抑制颗粒间的对流换热。这种新型的热绝缘容
21、器不需抽真空，但绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢储存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的储氢容器。,2）化学法储氢 1金属氢化物储氢：某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进入金属晶格（四面体或八面体)间隙中，形成金属氢化物，加热后又可释放出氢气目前研究最多和投入应用的储氢合全材料主要有；稀土系列、镁镍系列、钛铁系列、钛锰系列等。,各种金属氢化物的贮氢密度、贮氢能力和能量密度的比较,化学法储氢 2无机化合物储氢：利用某些无机化合物能和氢气发生化学反应的特点来储氢。然后在一定条件下可分解放出氢。,特点：无机化合物储氢需要活性炭
22、作载体。Pd或PdO为催化剂作用下。储氢量比较小，催化剂价格较贵。例如：以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂。其储氢量约为2(质量分数)。此法优点是原料易得，储存方便、安全性好。,3.有机液体氢化物储氢：借助氢载体(如苯和甲苯等)与氢气的可逆反应来实现的。包括催化加氢和催化脱氢反应。,优点：储氢量大环己烷的理论储氢量分别为7.19，储氢载体可循环使用。储存和运输都很安全方便。不足：催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大。储氢技术操作比起其他方法要复杂得多。,4.2.3 金属氢化物储氢原理1、金属与氢气生成金属氢化物的反应2、金属氢化物的结构3.实用储氢金属氢化物的特性,元素周期表中除He、Ne、
23、Ar等稀有气体外，所有金属元素的氢化物在20世纪60年代以前就已被探明，并被汇总于专著中。,1964年，研制出Mg2Ni，其吸氢量为(H)=3.6，能在室温下吸氢和放氢，成为最早具有应用价值的贮氢材料。,1969年在研究稀土化合物时发现了LaNi5具有优异的吸氢特性;1974年又发现了TiFe贮氢材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的贮氢材料。,金属元素的氢化物的历史,1.碱金属和碱土金属氢化物：MH、MH2,这类金属氢化物是白色或接近白色的粉末，是稳定的化合物。氢以H离子形式与金属结合得比较牢固。生成热大，十分稳定，不适宜于氢的储存。除了MgH2外,2、过渡金属：可与氢形成不同类型的金属
24、氢化物。如：TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、TiCoH1.4、LaNi5H6等。氢与这些金属的结合力比较弱，加热时氢就能从金属中放出，这些金属氢化物的储氢能力最大。,1、什么金属（合金）才有储氢性能？,实用的储氢材料要求,实用的储氢材料要求（1）：是合金材料，且合金组成为氢化物生成热为正的吸热性金属(Fe.Ni,等IAIVA族金属)和生成热为负的放热性金属(如Ti、La等VIA-VIII族金属)组成多元金属间化合物。,如 LaNi5:La：吸热性金属，Ni是放热性金属；FeTi：Ti是吸热性金属，Fe是放热性金属；,合金氢化物的性质介于其组元纯金属的氢化物的性质之间。,吸热性金属和放热性
25、金属组成的合金，不一定都具备储氢功能：例如：,LaNi5+3H2-LaNi5H6 Mg2Ni+3H2-Mg2NiH4,实用的储氢材料要求(2)：能够和氢发生反应生成相应的金属氢化物相。,存在和合金成分一样的金属氢化物,实用的储氢材料要求(3)：合金与氢生成的金属氢化物的稳定性要适中,总之，金属(合金)氢化物能否作为能量贮存、转换材料取决于氢在金属(合金)中吸收和释放的可逆反应是否可行。,2、金属氢化物储氢过程,式中，M-金属；MHn-金属氢化物P-氢压力；H-反应的焓变化,反应进行的方向取决于温度和氢压力。,由上面的反应式可知，贮氢材料最佳特性是在实际使用的温度（一般从常温到400）、压力（从
26、常压到100atm）范围内，以实际使用的速度，可逆地完成氢的贮藏释放。,3、金属氢化物的相平衡和热力学金属-氢系的相平衡由温度T、压力p和组成成分c三个状态参数控制。,金属-氢系理想的p-c图,温度保持T1，p（H2）缓慢升高时，氢开始溶解到金属中，H/M应沿曲线AB增大。固溶了氢的金属相叫做含氢固溶体，相。（B点为 相的最大溶氢量）,温度T1的等温曲线中p和c的变化如下：,相,BC段，氢化反应开始，反应生成了金属氢化物为相。至C点氢化反应结束。BC段为，两相共存，压力恒定，等温线上出现台阶。当变到C点时，所有的相都变为 相。再逐渐升高压力时，相的成分就逐渐靠近化学计量成分。,氢的平衡压力,金
27、属氢化物在相应温度时的有效氢容量,对于滞后大的合金在吸收和释放氢的过程中必须以更大温差对合金进行加热或冷却，或以更大压差对氢气进行加压或减压，否则其储氢能力和氢化反应热就不能得到有效利用,储氢合金在吸收和释放氢的过程中存在的平衡压差称为滞后效应。,由PCT特性曲线可以了解氢在相中的溶解度、氢化反应中哪些氢化物生成，氢化物的稳定性，有效的储氢能力等；曲线的特征，如平台压力、平台宽度与倾斜度、平台起始浓度和滞后效应(吸氢曲线与放氢曲线之差别)等，是常规鉴定储氢合金吸放氢性能的主要指标,温度越高，平衡压力越大，平衡压力和有效氢容量就越高,4、金属氢化物的结构,氢分子在金属表面分解为氢原子，通过表面或
28、疏松的氧化物膜进入金属内部，相变形成氢化物后的氢原于是填充在金属晶格的四面体或八面体间隙位置上的。,体心立方晶格,面心立方晶格,LaNi5H6 结构图,四面体空位,八面体空位,5、实用储氢金属氢化物的特性 1、易活化，氢的吸储量大；2、在一个很宽的组成范围内，应具有稳定合 适的平衡分解压(室温分解压23atm)；3、氢吸收和分解过程中的平衡压差(滞后)小；4、氢的俘获和释放速度快；,5 金属氢化物的有效热导率大；6 在反复吸、放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能稳定性好；7 对不纯物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力强；8 储氢材料价廉。,第三节 储氢材料的种类稀土系合金 镁系合金 钛
29、系合金,稀土系合金,以LaNi5 为代表的稀土储氢合金被认为是所有储氢合金中应用性能最好的一类，应用也最为广泛。典型的贮氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究,优点：初期活化容易，反应速度快，吸-放氢性能优良。20时氢分解压仅几个大气压。缺点：镧价格高，循环退化严重，易粉化。在LaNi5H6中，由于氢原子的进入，使金属晶格发生膨胀(约23)；而在放氢后，金属晶格又收缩。因此，反复的吸氢，放氢要导致晶格细化，即表现出合金形成裂纹甚至微粉化。,LaNi5,LaNi53H2LaNi5H6,由于LaNi5的成本高(需要纯镧金属作原料)，大规模应用受到限制
30、。发展了稀土系列多元合金。,采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氢分解压升高，滞后压差大，给使用带来困难。采用第三组分元素M(Al，Cu，Fe，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分 Ni是改善LaNi5和MmNi5储氢性能的重要方法。,镁系合金镁在地壳中藏量丰富。Mg2Ni是唯一一种可供工业利用的二元化合物，价格便宜，而且具有最大的储氢量。Mg2Ni缺点：释放温度高且速度慢，抗腐蚀能力差。,目前，Mg2Ni 系合金在二次电池负极方面的应用已成为一个重要的研究方向。,钛系合金TiFe：是TiFe合金的典型代表。价廉，储氢量大，TiFe
31、具有优良的储氢特性，在300C和0.1MPa氢气中处理，吸氢量约1.75(质量分数)。室温下其释氢压力约为0.1MPa。TiFe的价格低于其他储氢材料因而具有很大实用价值。,不足:首先是活化困难,必须在450oC和5MPa压力条件下进行活化，其次是滞后较大；抗毒性弱(特别是氧气)反复吸释氢后性能下降。,改善TiFe合金的储氢特性:以过渡元素(M)置换部分铁的TiFe1-xMx的三元系合金其中MCr、Mn、Mo、Co、Ni、V、Nb、Cu等。过渡金属元素的加入改善了钛铁系储氢合金的活化性能,第四节 贮氢合金金属氢化物的应用氢与金属间化合物在生成金属氢化物和释放氢的过程中，可以产生以下功能：化学、
32、机械、热、电,同时，吸、放氢多次后，金属氢化物会自粉碎成细粉，表面性能非常活泼，用作催化剂很有潜力，这种表面效应功能也很有开发前途。,金属氢化物贮氢材料的应用领域很多，而且还在不断发展之中，下面介绍贮氢材料应用的几个主要方面。,一、用于氢气的存储和运输,二、用于氢气的分离和提纯,三、在加氢和或脱氢反应中用作催化剂,五、热泵,四、用于储氢合金电极材料,六、温度传感器、控制器,一、用于氢气的存储和运输,氢储存是储氢金属氢化物的最基本的应用！金属氢化物储氢密度高，其原子密度比相同温度、压力条件下的气态氢大1000倍,二、用于氢气的分离和提纯,1)含氢废气的回收和利用：化学工业、石油炼制、化学制药和冶
33、金工业等均有大量的含氢尾气放空浪费，以合成氨工业为例全国每年放空浪费的氢气达10多亿m3。合成氨放空尾气的成分(体积分数)大致为H25060，N220，CH410，Ar2等。若加以回收利用，可以为有关工业部门提供大量廉价的氢气，也是一项巨大的补充的能源。,2)可方便而廉价地获取超高纯H2(6N)，实现氢的净化；还可将难与氢分离的气体，如氦经济地分离出来，无须惯用的深冷方法而实现氢的分离；,3)可用于吸收核反应堆的重水慢化器及冷却器中产生的氢、氖、氚等氢同位素，以避免核反应器材料的氢脆和防止环境污染；对吸收的氢同位素，还可以利用贮氢材料的氢化物与氘化物平衡压力的差异、经济有效地实现氢氘分离，即氢
34、的同位素分离。,三、在加氢和或脱氢反应中用作催化剂,贮氢材料可用作加氢和脱氢反应的催化剂，反应条件温和，催化活性高。如LaNi5、TiFe用作常温常压合成氨催化剂、电解水或燃料电池上的催化剂。它可降低电解水时的能耗，提高燃料电池的效率。,四、用于储氢合金电极材料,20世纪70年代初，Justi等发现LaNi5和TiNi系储氢合金不仅具有阴极储氢能力，而且对氢的阳极氧化也有催化作用。金属氢化物电极替代镍镉电他的镉负极组镍氢化物电池进入了大规模产业化。,这类电池在宇航、手提式电子计算机、移动电话、电动汽车等行业中已得到广泛应用。,五、热泵,利用贮氢材料的热效应和平台压力的温度效应，只需用低品位热源
35、如工业废热、太阳能作能源，即可进行供热、发电、空调和制冷。已开发的氢化物热泵按其功能分为升温型、增热型和制冷型3种,六、温度传感器、控制器,贮氢材料的氢平衡压随温度升高而升高的效应可以用作温度计。这种温度计体积小，不怕震动，而且还可以通过毛细管在较远的距离上精确测定温度。这种温度计已广泛用于各种飞机。,总之，金属氢化物储氢材料的应用远不止这些方面。随着储氢合金新品种的研究开发和性能的不断改进，其应用领域必将进一步扩大。尤其是高技术领域的应用。必将促进储氢材料的快速发展。,当前候选储氢材料储氢能力对比,硼烷氨 Ammonia-Borane(AB，NH3BH3),是这些候选材料中的明星。优势：1、
36、高含氢量：19.6 wt%，185 kgH2 m-3，2、稳定：常温下为固态，在空气与水中稳定，这使其具有较高安全性，有利于将来日常应用；3、低成本：目前NH3BH3制备技术成熟，有利于大规模应用。,局限性，1、直接加热释放氢气速度慢，难以满足大功率应用，并且需要温度较高；2、难以直接还原生成固态AB。如果能解决这两点不利因素，AB将成为一种非常有前景的储氢材料。因此对AB的研究近几年来是非常热门的一个领域。,核 能,首先要认识核能。核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特爱因斯坦的方程E=mc2；核能通过三种核反应之一释放：核裂变，打开原子核的结合力。核聚变，原子的粒子熔合在一起
37、。核衰变，自然的慢得多的裂变形式。一个是裂变裂开，一个是聚到一块儿了。聚和分的过程中由质量变成了能量，这是核能,核裂变：是一个原子核分裂成几个原子核的变化。是指由重的原子，主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式,1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转1,000小时)，与燃烧300万吨煤释放的能量一样多。,核聚变是指由质量小的原子（主要是指氘或氚），在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释
38、放。如太阳发光发热的能量来源。,核聚变较之核裂变有两个重大优点：一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。利用激光核聚变原理建造的发电站称为可控聚变能电站，这种电站的主要燃料是氘。据推算，利用氢聚变可以轻而易举地为人类提供5000万年之久的能源！可以说是真正意义上的取之不尽，用之不竭的能源。,第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续稳定地进行，所以是安全的。国际上来讲，法国现在已经是76%都是核能发电。美国是21%，日本是39%。这些发达国家他们都是高于全世界平均水平（16%），我们现在只有2%。,核能材料,反应堆材
39、料：铀，钚，氘，氚。,铀：是自然界中原子序数最大的元素，天然铀由几种同位素构成:除了0.1的铀-235、微量铀-234（0.0058%），其余是铀-238（99.238%）。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。也就是说1克-235完全裂变释放的能量相当于2吨半优质煤完全燃烧时所释放的能量。,氘：与铀相同数量的轻核聚变时放出的能量要比铀大几倍。例如1克氘化锂（Li-6）完全反应所产生的能量约为1克铀-235裂变能量的三倍多。实现核聚变的条件十分苛刻，即需要使氢核处于几千万度以上高温才能使相当的核具有动能实现聚合反应。,核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式
40、反应，从而实现核能热能转换的装置。核反应堆是核电厂的 心脏，核裂变链式反应在其中进行。1942年美国芝加哥大学建成了世界上第一座自持的链式反应装置，从此开辟了核能利用的新纪元。反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。,水利资源终归是有限，整个开采是三亿千瓦。其他的风能、太阳能也应该积极的推出。但是目前来讲，大规模的应用不太成功，比较困难。只有核能能够大规模应用。我们国家已经建了的核电站，最小的30万千瓦，也不小了。我们从法国进口是90万千瓦，一个机组90万千瓦，而一个风力机组一般是500千瓦,包壳材料：为了防止裂变产物逸出，铝合金，锆合金，镁合金
41、,慢化剂：由于慢速中子更易引起铀-235裂变，而中子裂变出来则是快速中子，所以有些反应堆中要放入能使中子速度减慢的材料，就叫慢化剂。慢化剂也可使用其他固态材料，但是液态材料具有温度均匀且容易稳定、没有明显的辐射损伤和具有连续的原子分子振动态密度等优点。一般慢化剂有水、重水、石墨等。,反射层：它能把活性区内逃出的中子反射回去，减少中子的泄漏量。反射层设在活性区四周，它可以是重水、轻水、铍、石墨或其它材料。硼钢，B4C/Al复合材料对中子衍射的反应堆来说，一般使用 Be/Fe复合体。除质子束和中子孔道外，Be紧紧围绕核心的靶体和慢化器，外围再被Fe所包围。它能增加近30%的中子通量。,控制材料：为
42、了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒和安全棒，容易吸收中子的材料，吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。轻水，重水，CO2屏蔽材料：防止核辐射，针对射线主要用高密度材料，铁，铅，重混凝土。反应堆容器：包括堆芯和回路冷却剂，是反应堆的安全防线。主要用高强度钢（压力高），或是奥氏体钢（常压）,反应堆堆芯的核燃料采用球状形式，外裹多层石墨或热解碳以及结构陶瓷如SiC等用于盛放裂变产物以及传导热量,燃料芯核多孔缓冲层内层热解碳硼化硅外层热解碳,核能是不是安全。
43、公众关注核能有几个方面：,第一，关注核能是不是安全。第二，废物如何处置，处置是否安全。第三，会不会造成核扩散。,第一，从安全来讲，现在设计的标准、安全管理的程序，切尔诺贝利前苏联的时代已经有了相当大的变化。第二，切尔诺贝利核事故是在特殊的情况下多重人为的因素造成的。第三，设计技术上具有固有的安全性。第四，不带包罗的安全核，现在发展我们国家的核电都采用了防御措施，从设计上、安全性上、管理法规上。废物处置，没有问题，包装废物现在很好，我们正在开发研究，未来进行升级，不会对环境和周围的居民公众造成危害和影响。,研究实验反应堆：-中子散射中子散射是在原子尺度上研究物质微观结构和动态性质的理想工具之一，
44、广泛地应用于物质精细结构和磁结构的研究中。它的简单原理是当一束能量单一的中子投射到研究样品上，其中总会有一部分中子和样品中的原子“碰撞”而改变了行进的方向，有些还改变了能量。只要测出散射中子，即受到碰撞而改变方向的中子在不同方向的分布以及它们的速度分布，就能判定出样品中原子的占位分布和运动状态，从而获得样品物质的结构知识。,与X射线衍射相比，中子的特点可以表述为：,中子的穿透能力较强，由于中子是不带电的，所以中子不会在样品上产生热效应 中子散射是核散射，它可以直接辨认核素，而X射线的散射体是核外电子，其相干散射强度与各元素的原子序数成正比。由于中子具有磁矩，中子散射问世后，人类对物质磁性的观测
45、深入到了微观层次。,课后作业：请同学准备风能、生物质能、的相关资料？,风 能,风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。,风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。丹麦岁只有500多万人口，却是世界风能发
46、电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大国”。,我国风力资源丰富，可开发利用的风能储量为10亿千瓦。对风能的利用，特别是对我国沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，具有十分重要的意义。现在，无论是在广阔的草原，还是在杲杲的山岭，我们都会看到一座座能抗风暴袭击而稳定运行的风力发电站。每当大风来临，收集机就会自动调转方向，迎接风的犀利，任凭风力有多大，来势有多猛，它一概取之，转成电能储存起来，为人们提供电力。这样，即使在远离城市的乡村和牧场都可以用上电，过上幸福的生活。,风能的坏处1)风速不稳定,产生的能量大小不稳定 2)不是什么地方都可以利用风能,受地理位置限制严重 3)风能的能量转换效率低 4)技术不成熟,还不能普及 5)风能是新型能源,响应的使用设备也不是很成熟,
