能源材料和納米材料

1、能源材料和納米材料 北航材料學(xué)院能源材料 能源、材料和信息(生物)被成稱為人類社會(huì)發(fā)展的三大支柱。所謂能源指的是提供能量的自然資源。人類的文明始于火的使用，燃燒把化學(xué)和能源緊緊地聯(lián)系在一起。人類巧妙的利用化學(xué)變化過程中所伴隨的能量變化，創(chuàng)造了現(xiàn)代物質(zhì)文明。能源定義 可以直接或間接提供人類所需的光、熱、電、動(dòng)力等任何形式的載能體資源。能源的分類1. 一次能源和二次能源（按獲得的方式） 一次能源：是自然界直接提供的能源. 二次能源：由自然界提供的能源轉(zhuǎn)化而來的能源.2. 再生能源和不可再生能源（按是否再生） 可再生能源：對(duì)于一次能源，如太陽能、風(fēng)能等可從自然界源源不斷的得到的能源。 不可再生能源：

2、如煤、石油天然氣以及核燃料等一旦消耗很難再生的能源。3. 清潔能源和非清潔能源（按對(duì)環(huán)境污染） 清潔能源：對(duì)環(huán)境無污染或污染很小的能源。如：太陽能、水能、風(fēng)能 非清潔能源：對(duì)環(huán)境污染較大的能源。如：煤、石油、天然氣等化石能源4. 常規(guī)能源和新能源（按利用程度） 常規(guī)能源：化石燃料、水流能、風(fēng)能等人類早就應(yīng)用的能源. 新能源：核能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等新近才開始利用的能源能源的分類一級(jí)能源二級(jí)能源燃料能源煤、石油、薪柴、天然氣汽油、酒精、液化氣、煤氣非燃料能源水力、鈾、風(fēng)力熱水、蒸汽、電新能源化石能源太陽能電能生物質(zhì)能能源的分類能源還可以分為常規(guī)能源與新能源常規(guī)能源：在一定歷史時(shí)期和科學(xué)水平

3、下，已被人們廣泛利用的能源稱為常規(guī)能源，如煤、石油、天然氣、水能等；新能源：隨著科技的不斷發(fā)展，才開始被人類采用先進(jìn)的方法加以利用的古老能源以及新發(fā)展的利用先進(jìn)技術(shù)所獲得的能源都是新能源，如：核聚變能、用以發(fā)電的風(fēng)能、太陽能、海洋能等。能源的分類能源也可以分為再生能源和非再生能源緊迫型分類非再生能源：經(jīng)過億萬年形成的、短期內(nèi)無法恢復(fù)的能源，稱之為非再生能源，如：石油、煤、天然氣等；再生能源：可連續(xù)再生、持續(xù)利用的一次能源稱為可再生能源，如水力、風(fēng)能、太陽能等。 人類對(duì)于能源的利用大致可以分為三個(gè)時(shí)代 柴草能源時(shí)代，人類學(xué)會(huì)利用火，以草木取暖、吃熟 食，靠人力、畜力以及太陽、風(fēng)和水的動(dòng)力從事生產(chǎn)

4、 活動(dòng)。 化石能源時(shí)代，人類發(fā)明了蒸汽機(jī)和發(fā)電機(jī)，使能源 消費(fèi)從柴草轉(zhuǎn)變到以煤、石油、天燃?xì)獾然剂希?以及電力等為主。 多能源時(shí)代, 這是即將到來的新能源時(shí)代，核能、太 陽能、氫能等將成為這個(gè)時(shí)代的主要能源。人類文明的歷史就是人類利用能源的歷史世界能源消費(fèi)比重變化圖天然氣水能、核能石油煤中國(guó)的能量消費(fèi)現(xiàn)狀及特點(diǎn) 能源資源相對(duì)短缺 煤炭可采量約1160 億噸, 人均可采量89.8 噸, 為世界1/2；石油剩余可采儲(chǔ)量23.8億噸, 人均2.6噸, 為世界的1/9；天然氣剩余儲(chǔ)量1.23萬億m3,人均1074m3, 為世界1/23；水電可開發(fā)容量3.79 億千瓦, 人均0.29千瓦。 石油資源

5、不足 2006 年石油生產(chǎn)1. 84 億噸, 消費(fèi)3. 2億噸, 進(jìn)口已達(dá)1.36 億噸, 對(duì)外依存度43 %。 能源生產(chǎn)和消費(fèi)以煤炭為主 消費(fèi)總量占70%左右，污染大，利用率低。 能源利用效率低 清潔能源和新能源利用率不高。中國(guó)的能量消費(fèi)現(xiàn)狀及特點(diǎn) 中國(guó)GDP：10.0的高增長(zhǎng)速度，付出的代價(jià)也相當(dāng)大。中國(guó)的GDP占世界GDP的比重大約為6，卻消耗了相當(dāng)于全球總產(chǎn)量30的主要能源和原材料，其中石油為7.4，原煤為31，鋼材27，氧化鋁25，水泥40。如果按每1美元生產(chǎn)總值能耗計(jì)算，我國(guó)比發(fā)達(dá)國(guó)家能耗高45倍。 煤燃燒的環(huán)境問題 在燃燒煤的過程中，會(huì)排放出大量的二氧化碳及有毒的二氧化硫. 二氧

6、化碳的增多會(huì)導(dǎo)致全球變暖； 二氧化硫會(huì)形成酸霧隨雨雪降落，形成酸雨； 煤中含有的多環(huán)芳烴產(chǎn)生的煤煙會(huì)隨雨水降落到水體中，造成是的有機(jī)污染。我國(guó) SO2 排放量為世界第一； CO2 排放量?jī)H次于美國(guó)，為世界第二。2010年， 石油進(jìn)口 1.5億噸。專家認(rèn)為： 當(dāng)一個(gè)國(guó)家的石油進(jìn)口超過5000萬噸時(shí)，國(guó)際市場(chǎng)的行情變化就會(huì)影響該國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行； 進(jìn)口量超過1億噸以后，就要考慮采取外交、經(jīng)濟(jì)、軍事措施以保證石油供應(yīng)安全。 一方面是我國(guó)的石油進(jìn)口量在逐年增加，極易受到國(guó)際油價(jià)上漲的影響； 另一方面國(guó)際油價(jià)又極易受到政治、軍事、經(jīng)濟(jì)等各種因素的牽制。 由此，石油安全問題對(duì)我國(guó)也就成了一個(gè)日益緊迫的問題

7、。一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度與消耗石油有關(guān)石油能用多少年？即將來臨的石油危機(jī)真正的危機(jī)！ 全球每天消耗石油量已達(dá)千萬桶，幾乎每年增加； 截止年，全世界消耗掉從經(jīng)濟(jì)到技術(shù)上都容易開采的全部石油的一半； 現(xiàn)有石油消費(fèi)量同新勘探到的石油量的比例是。到年，不論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，最終都會(huì)面臨石油危機(jī)。目前，世界每年消費(fèi)石油億桶，而新勘探出的石油越來越少，每年只有億桶； 據(jù)美國(guó)石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，在年到來之前，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在到年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應(yīng)枯竭。假如石油消失新能源的重要性和迫切性！節(jié)約能源！ 保護(hù)環(huán)境！開發(fā)新能源！太陽能、氫能、二次電池、核能、生物質(zhì)能。

8、電能、風(fēng)能、朝夕能、地?zé)崮艿鹊取！熬G色能源”風(fēng)吹全球可再生資源-綠色能源 太陽能 氫能 風(fēng)能 海洋能 核能 生物質(zhì)能 可再生能源(新能源) 新能源材料 太陽能電池太陽能電池材料 鋰離子電池- 鋰離子電池材料 鎳氫電池-儲(chǔ)氫材料 燃料電池-燃料電池材料 核能-核材料 儲(chǔ)能-相變儲(chǔ)能材料 風(fēng)能-高性能稀土永磁材料 新能源種類 太陽能：輻射于地面的太陽能1萬倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。 太陽能可分為光伏能和太陽爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！太陽能熱水器太陽能汽車太陽能太陽能電池光利用、電利用、熱利用和化學(xué)利用 世界將太陽能作為一種能源和動(dòng)力加以利用

9、，已經(jīng)有300多年的歷史。1615年法國(guó)工程師所羅門.德.考克斯發(fā)明了第一臺(tái)利用太陽能加熱空氣使膨脹做功而抽水的機(jī)器.材料類型材料轉(zhuǎn)化效率%硅多晶912非晶（膜）69單晶20化合物半導(dǎo)體GaAs（晶）1830CdS，CdTe（膜）1012CuInSe2（膜）1012敏化納米染料薄膜（大面積）5 有機(jī)太陽能轉(zhuǎn)換膜Smart 電動(dòng)雙座微型車明年將使用鋰離子電池。目前的車型使用鎳氫電池。二次電池充電電池鋰離子電動(dòng)車 整車重量75kg，電機(jī)功率180W，鋰離子電池36V-8Ah，最高時(shí)速25km/h，行程=50km?；旌蟿?dòng)力公交車世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(酒精)的發(fā)展趨勢(shì)光伏電能風(fēng)能生物質(zhì)能中國(guó)生

10、物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景1、中國(guó)秸稈7億噸/每年；2、高產(chǎn)作物，如玉米、薯類、速生林等；3、鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展沼氣；4、沙漠地區(qū)的改造：蒙脫土生根劑(保水植木)。若爾蓋(長(zhǎng)征水草地)采用治沙技術(shù)的效果能源與材料能源材料： 實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)化和利用，以及發(fā)展能源技術(shù)所涉及的關(guān)鍵材料。與能源開發(fā)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換和利用等相關(guān)的材料都屬于能源材料。一、材料對(duì)能源的影響1. 材料產(chǎn)生新能源；2. 材料提高儲(chǔ)能和能源的轉(zhuǎn)換效率；3. 新材料決定能源技術(shù)的利用和安全性；4. 材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作和加工工藝決定新能源的投資和運(yùn)營(yíng)成本；5. 清潔材料是清潔能源與能源技術(shù)的基礎(chǔ)。能源材料的種類1. 按材料種類和使用用途來分：

11、燃料（包括常規(guī)燃料、核燃料、合成燃料、炸藥及推進(jìn)劑等）； 能源結(jié)構(gòu)材料； 能源功能材料。 2. 按使用目的分: 能源工業(yè)材料； 新能源材料； 節(jié)能材料； 儲(chǔ)能材料等。 能源材料的分類在國(guó)際上尚未見有明確的規(guī)定，為敘述方便也經(jīng)常使用混合的分類方法。 能源材料的種類材料種類應(yīng)用材料實(shí)例鋰離子電池材料鋰電池鈷酸鋰、磷酸鐵鋰；氫氧化鋰。光伏材料 太陽能電池 單晶、多晶硅半導(dǎo)體儲(chǔ)氫材料 鎳氫電池 納米碳管、儲(chǔ)氫合金高溫能源材料 熱機(jī)、熱處理設(shè)備，核反應(yīng)堆 高溫合金，ZrC, SiC質(zhì)子交換膜材料等燃料電池部分典型新能源材料其他還有生物質(zhì)能材料、風(fēng)能、熱能、磁流體、超導(dǎo)等。能源材料的任務(wù)和課題1. 資源的

12、合理利用，化石能源節(jié)能減排技術(shù)；2. 研究新材料、新結(jié)構(gòu)等以提高能源的利用效率；3. 開發(fā)清潔能源材料；4. 開發(fā)新能源技術(shù)涉及的關(guān)鍵材料；5. 能源材料的生產(chǎn)制作和加工工藝。解決地球資源、環(huán)境問題的途徑即實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與材料的可持續(xù)發(fā)展材料資源環(huán)境人類以自我為中心的生產(chǎn)活動(dòng)（工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活），掠奪式開采與開發(fā)、資源效益低、回收利用率低，造成了資源枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境問題。環(huán)境材料資源由現(xiàn)在的線形物質(zhì)流模式向循環(huán)模式轉(zhuǎn)變本課程主要介紹四種能源相關(guān)的材料燃料電池；鋰離子電池；太陽能電池；鎳氫電池燃料電池現(xiàn)今發(fā)電方式的瓶頸： 一般我們熟知的發(fā)電方式就是利用燃料(石油、煤、天然氣、核能等)通過化學(xué)反

13、應(yīng)產(chǎn)生熱能之后，間接利用水蒸氣推動(dòng)發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能。 這樣的能量轉(zhuǎn)換過程需要經(jīng)過許多程序，消耗了許多不必要的浪費(fèi)，以至于最后轉(zhuǎn)變成電能的效率通常都只剩下30 %左右?；鹆Πl(fā)電示意圖煙 筒鍋 爐汽輪機(jī)電 力高壓蒸汽發(fā)電機(jī)煤粉海水蒸汽冷凝器凝結(jié)水鍋爐給水泵燃料電池 若可以不要經(jīng)過這些復(fù)雜、且不必要的化學(xué)過程，而是直接將燃料轉(zhuǎn)換成電能，理論上就可以大幅提高能源轉(zhuǎn)換的效率！ 以特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳(CO2)和水(H2O)，因不需推動(dòng)渦輪機(jī)等發(fā)電裝置，也不需將水加熱至水蒸汽再經(jīng)散熱變回水，所以能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70% - 80%，足足比一般發(fā)電方法高出了40%以上。燃料電池的起源 18

14、39年，由英法官 William Grove 在一次實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)了燃料電池的發(fā)電原理；但當(dāng)時(shí)因?yàn)殡姌O材料問題，使這項(xiàng)發(fā)明未受重視； 1959年，F(xiàn)rancis T. Bacon 制作出一個(gè)個(gè)5 kW的燃料電池組，能夠驅(qū)動(dòng)高耗能電器，使這項(xiàng)技術(shù)得以走出實(shí)驗(yàn)室； 其后使用氫氣為燃料的堿性燃料電池(AFC)更成功的應(yīng)用在航天飛機(jī)的電力供應(yīng)系統(tǒng)；加上產(chǎn)物是純凈的水，故也成為太空人飲用水的來源之一。燃料電池的種類以燃料電池的電解質(zhì)（electrolyte）來劃分，它可分為六種。 若以工作溫度分類 ，可分為三種： 高溫型、中溫型、低溫型。根據(jù)電解質(zhì)的種類，一般可分為：1.質(zhì)子交換膜燃料電池(proton

15、 exchange membrane fuel cell, PEMFC)；2. 堿性燃料電池 (alkaline fuel cell, AFC);3. 磷酸燃料電池 (phosphoric acid fuel cell, PAFC);4. 熔融碳酸鹽燃料電池 (molten carbonate fuel cell, MCFC);5. 固態(tài)氧化物燃料電池 (solid oxide fuel cell, SOFC);6.甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC, PEMFC的一種）。 燃料電池的種類根據(jù)工作溫度電解質(zhì)的種類，一般可分為：1. 低溫型 PEMFC (80 - 100 oC) AFC (60 - 220 oC) PAFC (180 - 200 oC) 2.中溫型 MCFC (650 oC) 3. 高溫型 SOFC(1200 oC) 燃料電池的種類燃料電池的工作原理電流陽極陰極質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理 主要是利用氫氣進(jìn)入電池組，經(jīng)由擴(kuò)散層，與觸媒層中的觸媒作用后，氧化為氫離子（質(zhì)子）并釋放出電子，同時(shí)在陰極與氧氣