1、我所知道的氢能源【中文摘要】 在能源的不断消耗，我们必定需要一种或多种新的能源来代替在用的化石能源。而氢能作为一种新型的清洁能源，由于它本身的各种优势，必定会在未来的社会占有重要的地位。现在很多国家的科学家及企业都正在努力研发氢能及其产品，为的就是在未来的世界格局中占据优势地位。关键词 能源 氢能 优势 制法 利用能源现状能源是人类生存的必需品，没有能源就没一切生物。人类作为地球上智商最高生物，同时也主宰着世界的能源命运。从天上的太阳能到地下的地热能，无不在人类的使用之中。然而，作为地球总理的我们却没能管理好我们的能源世界。特别是从英国工业革命以来，人类进入了工业社会。从此，各种化石能源，特别
2、是煤、石油开始成为人类生活必不可少的伙伴。人类在尽情地享受着日益丰富的物质文化，却忘了关注能源的存在与否，与我们生活息息相关的大自然是否还如当年纯净。很遗憾，随着人口的增长和人类物质生活水平的普遍提高，人类对能源的需求不断增加，从而导致了资源（特别是不可再生资源的）的急剧减少和环境的不断恶劣。据资料显示，在 20 世纪初，世界对能源的需求总量约 50 年增长一倍，而后是 30 年，到 20 世纪末的 20 年内又增长了一倍，翻番时间间隔的减少也预示着世界能源减少的速度在不断加快，环境污染的飞速加剧1。化石能源是不可再生能源的一份子，它的产生需要几百万年的磨炼，相对于人类的存在来说都是十分长久的
3、，所以它对于人类是极其有限的。同时它是以碳为主要组成元素，还含有含硫 S、氮 N 的物质，所以在使用过程中（目前主要是燃烧）便不可避免的产生大量的 CO2（产生温室效应的罪人）和含硫的化合物、含氮化合物（会造成酸雨等恶劣影响）虽知化石能源的种种不利之处，但是由于限于目前人类文明的程度，我们有不得不依赖于它，就好像我们不想向父母要钱，但是有没办法一样。总体来说，在未来较长的一段时间里，化石能源还将会是地球上的主要能源。据 2001年的能源消费结构显示，石油消耗量占世界能源消耗总量的 38.5%，天然气占23.7%，煤炭占 24.7%2。而且，据预计， 20002030 年的全球一次能源年均总需求
4、预计会每年增长 1、7%。到 2030 年将达到 153 亿吨油当量3。目前，全球石油大约还能开采 30 年，天然气 50 年，煤炭 200 年4，所以迅速寻找一种新型的能源作为化石能源的替代时极其必要的。从国家的角度来说，目前任何一个国家都越来越依赖于石油。如果能切断一个国家的石油来源，那他国家的运输部门将迅速处于瘫痪状态，工业部门更会迅速待机。 。 。 。 。 。而我国人均石油可采储量仅有 2.6t，仅为世界平均水平的 11% 5。上世纪 90 年代以来，随着小汽车在中国畅销，我国也由石油出口国一下变为石油进口国，并且在短短十几年里跃居世界第二大石油进口国的高位。可想一旦中国的石油进口路线
5、被敌人切断，中国将岌岌可危。从世界环境的角度看，由于化石能源的使用，大量的二氧化碳被排放的大气中，造成二氧化碳的浓度上升。比如南极的二氧化碳浓度就由 1860 年的280mg/L 上升至 1992 年的 335mg/L。而近 20 年来南极的浓度还在以每年平均1mg/L 的速度攀升6。全球气候变暖将是海平面上升，引起沿海地区被淹没；影响降雨的分布，改变地球生态。最近的哥本哈根会议正是在这种严峻的形势下召开的，然而各国因为利益关系而收效甚少。那么，怎样才能从根本上解决能源与环境的问题呢？在很多学者和政府官员的心里都知道是开发与使用可再生的绿色能源，包括风能、水能、太阳能。氢能等。下面就介绍下氢能
6、的优劣吧。氢能优势氢能自然是因为它有有让我感到前途无量的地方。首先是来源，宇宙中存在丰富的氢，在原始的太阳星系中，氢之比重俺重量计约为 75、6%,虽然在地球这种特殊的环境中，氢主要是以含氢化合物的形式存在，而真正的氢单质仅为 0.5ppm（体积）左右。现在我们所指的应用前景最大的氢源是水，水是有两个氢原子和一个氧原子构成的，在一定的环境下（如电解或光解） ，一份子的水分子能够分解成一份子体积的氢气和二分之一体积的氧气。而水在地球上是十分丰富；最好的证明是地球表面 71%被水所覆盖，其中海洋总体积为 13/7k ,将有 1.4 t，产热是地球上所有矿物燃料的 9000 倍。7 因此，无8103
7、m170论从宇宙中还是单单从地球来说，氢源是十分丰富的，这一点远胜于化石能源，同时，氢燃料产物只有水，不产生任何污染环境的废物，产物还能从新做为氢源，如此循环。无污染、高效率。再者，从热值来说，氢气单位质量发出的能量，即比能量最高。如下表各种燃料燃烧反应的化学热值比较（25C，101.3KPa ）8燃料 H(KJ/mol) H/M(KJ/g) G(KJ/mol) G/M(KJ/g)氢 -286 -143 -237 -118甲烷 -890 -55.6 -818 -51.0一氧化碳 -283 -10.1 -257 -9.2碳 -394 -32.8 -384 -32.8其次，安全问题。从某些角度来说
8、，氢是危险的，氢的燃烧速度快，最小着火能量低。但是，氢气是无毒的，它的着火点相比于其它燃料来说也不是特别低（如：甲烷 645C，丙烷 510C.。在空气中） 。而且氢作为最轻的元素极易扩散，所以在不封闭的环境中，氢的浓度将迅速减少。综上，氢在安全性问题上也不是极其危险的9 。最后，氢能可用于解决很多问题。比如：可做为能源解决世界能源问题；作为电池能源；可以作为工业原料，如加氢精制（加氢脱硫、加氢脱碳）合成氨的反应： +3 =2 、合成甲醇 CO+ =CHOH；用于航空航天方面。2NH32H制氢方法10既然氢能优势多多那么它又怎样从各种化合物中获得呢？最简单的，也是我们初中就开始学的的方法：从水
9、中电解出来化学方程式为：2 =2 + 。 。 。 。 条件是电解或光解OH2 2那么通过这个放法得到氢气有哪些问题要考虑呢？（1） 焓问题。的反应时一个吸热反应，所以要想发生则必须要从体系为外提供一定的能量，才能促使反应发生。这部分能量不是只是提供反应热，还必须提供活化能，即是反应发生所需的最低能量，用于产生活化分子。（2） 体系外能量的来源问题。中H=G+TS，其中H 为焓变化，G 为吉布斯自由能，S 为嫡的变化，T 为温度。例如在1atm，25C 的条件下，H、G 及 TS 分别取正的258.8KJ/mol,237.1KJ/mol、48.7KJ/mol。其中G 随温度的升高而减少。那么热能
10、是水分解所用的能量就是不现实的了。经计算，仅靠热能产生，则G 要变为 0(TS=H)，温度要 4000C 以上的超高温。这种方法叫做高温直接电解法。不过从材料（抗高温） 、分离气体两方面来说。这种做法是极不现实的。即然是制取清洁能源，自然从制取方式上不能产生污染。而就目前的条件来说就只有用电能和光能来制取了（以后就不知道了） 。下面是关于光解的一些方法。早在 1972 年本多与藤岛发表了把半导体电极与铂电极插入电解质溶液，对半导体电极照射紫外线，会在半导体电极的表面产生氧气、在铂电极表面产生氢气的现象。尽管施加了 0.5V 的电压，但是比水的理论分解电压 1.23V 远小所以实证了光能下进行的
11、水 的分解反应。从此对对半导体粉末表面修饰Pt 等（助触媒）的半导体光触媒的研究变得活跃起来。半导体的光触媒的原理。半导体具有导带与价带被能隙隔开的带状结构，如果带状具有能隙能量以上的能量以上的光，价带中的电子将激发至导带，电子向导带移动，并在价带产生相应的空穴。被激发的导带的电子具有极强的还原能力（给予电子的能力） ，而价带的空穴具有极强的氧化能力（夺取电子的能力） 。分解水时电子还原水生成氢气，空穴氧化水生成氧气。为了使这种水分解成为可能，对半导体要考虑的条件是，能隙的大小以及导带与价带的势能位置。虽然相当于水分解所需的的自由能的理论分解电压是 1.23V，实际上由于存在超电压，所以必须具
12、有1.23eV 以上的能隙。不过如果能隙过大，用普通的光就无法激发电子。另外，对于势能的位置，如果 2.9，导带下端位置要高于 / 的氧化还原点位（0V，vs，NHE，更负） ，价电子带H2上端的位置要低于水的氧化电位（1。23V，vs，NHE，更正） 。从这些方面出发，展开了寻找具有最佳带结构的材料以及对带结构控制技术的研究。此外，保持不发生分解与溶解的光反应的稳定性自不必说，一直降低效率的电荷再结合与逆反应也是重要课题11（3） 电解环境对的影响。水是极弱的电解质，所以如果直接电解水，是吃力不讨好的事。而当在水中加入电解质时，又会因溶液最终PH 的不同而发生不同的神奇的反应。当 PH7 时
13、，即在酸性溶液中。阳极：2OH 2e =2H +1/2O 2阴极：2H +2e =H2当 PH=7 时，即中性溶液中阳极：4OH e =O +2H O22阴极：2H +2e =H +2H O当 PH7，即碱性溶液中时阳极：2OH -2e =H O+1/2O22阴极：2H O+2e =H +2OH 122不过在日常工业生产中，由于碱性溶液腐蚀性较小，所以一般使用工作温度在（7080 C）下具有高传导率的高浓度的氢氧化钾（KOH：25%30%水溶液） 。而电极则一般采用镀镍的网状低碳钢和镍系金属等耐碱性材料。在连通两电极的溶液中，一般还使 用各种介质膜以提高效率。自石油危机以来，改良型碱性溶液水电
14、解开发研究进入了热闹阶段。其主要是为了降低理论分解电压、反应过电压（即活化能）除上述方法外，还有固体高分子型水电解，热化学制氢法，生物制氢法、热化学气化法，生物质制氢。 。 。 。 。除杂12尽管我们发现了很多种制氢法，但是就目前的技术水平来说每种方法都毫无例外的会产生一种或多种的杂质气体，还有就是成本高，效率低，因此难以大规模运用。那么有哪些方法可以除氢中的杂质呢？一般有化学吸收法，和物理吸收法。比如：由于 CO 是酸性气体，而氢气为中性，2所以一般使用碱性溶液除去杂质二氧化碳。而一氧化碳具有很强的还原性，所以可以采用氧化还原法。如用铜氧法吸收CuAlCl -C H +CO=CuAlCl -
15、CO+C H428478另外还有造价较贵，但适合于大规模运用的膜分离法。储存13一般有四种方法。用吸附材料。如液氮温度下的活性碳吸附氢气吸储材料。利用氢侵入的物质的晶格内部，形成侵入性氢化物。同时，值得注意的是，吸储氢的物质一般为合金。如 Mg Cu 大量的吸储氢气。2LaNi 在室温下能可逆地吸储与释放氢气。氢吸储合金与氢的反应式为：5M+H =MH +Q (Q 为反应热 )2利用吸储合金的体积氢能密度比标准状态下的氢气与液氢要大，几乎所有合金的体积氢能密度都在 70150kg/m 的范围内，但是氢吸储合金的3最大问题是单位质量氢吸储量少。利用14目前氢能使用方向最有前途的当属氢动力汽车了。
16、其主要利用方式是将动力源由化石燃料转变为燃料电池。这种电池汽车具有以下优点：环境性：排出水蒸气，不排放有害气体。纯氢燃料的使用不排放二氧化碳，发动机声音小，噪声低操作性：依靠转矩巨大的马达驱动，加速响应性与启动性能好；采用车轮内马达可以使全轮独立驱动，实现独立操作高效性：能量效率高。通过再生制动器可以回收能量空间性：通过把燃料电池、控制装置、辅助电源、氢容器等全部设备放置在车体下，使驾驶室内的空间变得更大。但是局限与当前制氢技术和储氢技术的不成熟。氢能源汽车只能在实验室周边奔跑。不能进行大批量生产。除氢能源汽车外，未来的氢能电器、小型高效的燃料电池将飞入寻常百姓家，造福全人类。总结所得制氢方法
17、上，目前陷入了很多泥潭中，似乎存在很多方法，不过没有一个是可行的。它们都只能在实验室中研究。那么我们是否该坚持原来的路走下去呢？可能我们现在需要的更是一些新的知识来改进方法，我们要多接触其他学科的知识，用灵活的创造力从一些看似无关的现象中找到方法。在储存方式上，我们可不可以就是跳开这一步，而是运用新的制氢材料，先不把氢制造出来，而是做成其它易于运输的产品，当要用时才把氢安全地造出来呢？催化剂是化学的宠儿，它一定会在未来的制氢法上担任重要角色参考文献1 国际能源署 世界能源展望M 北京 中国石化出版社 2006 第十页2 毛宗强 氢能-21 世纪的绿色能源M 北京 石油工业出版社 第一页3 国际
18、能源署 世界能源展望M 北京 中国石化出版社 2006 第十六页4 陈军 陶占良 能源化学M 北京 化学工业出版社 2004 第 9 页5 石方川 王海峰 我国的能源状况与政策J 中国信息报网络版 2008 年 1月 3 号6 霍秀静 刘荃仁 韩庆 新能源技术M 北京 化学工业出版社 2005 年7 月 第二十页7 氢能协会日 氢能技术M 北京 科学出版社 2009 年 第 20 页8 段雷 黄永梅 可持续能源的前景M 北京 清华大学出版社 2002 第273 到 280 页9 氢能协会日 氢能技术M 北京 科学出版社 2009 年 第 13 页10 孙艳 苏伟 周理 氢燃料M 北京 化学工业出版社 2005 年 第 15 到第 175 页11 氢能协会日 氢能技术M 北京 科学出版社 2009 年 第 44 页12 陈军 陶占良 能源化学 M 北京 化学工业出版社 2004 第 151 到152 页13 氢能协会日 氢能技术M 北京 科学出版社 2009 年 第 54 到59 页14 樊铨狮 梁德青 杨向阳 储能材料与技术 北京 化学工业出版社 2004 年 第 242 到 28715 氢能协会日 氢能技术M 北京 科学出版社 2009 年 第 91 到123 页
