氢能的开发与利用

化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用氢能的开发与利用教学内容氢能的特点氢能的利用途径氢气的制备（重点，难点）氢气的储存（难点）化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用【思考】通过学习，我们知道了氢能是最好的洁净，高效的新型能源，那么为什么可以这样说呢，氢能有什么优点呢？化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用氢能的开发与利用氢能的特点1.安全环保：氢气分子量为2,比空气轻1/14,因此，氢气泄漏于空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒，燃烧产物仅为水，不污染环境。2.高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal,是汽油的三倍。氢氧焰温度高达2800度，高于常规液气。3.热能集中：氢氧焰火焰挺直，热损失小，利用效率高。4.自动再生：氢能来源于水，燃烧后又还原成水。5.催化特性：氢气是活性气体催化剂，可以与空气混合方式加入催化燃烧所有固体，液体、气体燃料。加速反应过程，促进完全燃烧，达到提高焰温、节能减排之功效。6.还原特性：各种原料加氢精炼.7.变温特性：可根据加热物体的熔点实现焰温的调节。8.来源广泛：氢气可由水电解制取，水取之不尽，而且每kg水可制备1860升氢氧燃气。9.即产即用：利用先进的自动控制技术，由氢氧机按照用户设定的按需供气，不贮存气体。10.应用范围广：适合于一切需要燃气的地方。氢能被人们称为理想的“绿色能源”十全十美化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用【思考】目前人类有哪些途径可以来利用氢能呢？？化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用3.氢能的利用途径①氢气燃烧放热（如液态氢作为火箭燃料）②用高压氢气，氧气制作氢氧燃料电池③利用氢的热核反应释放的核能（氢弹）化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用H2OH2、O2用于燃料电池，化学能转化为电能使用催化剂，利用太阳能分解水电解，电能转化为化学能燃烧，释放热能化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用【思考】氢能是一种理想的，极有前途的二级能源，它被人们视为理想的“绿色能源”，大家知道几种产生氢能的方式？这些方式有哪些优点和缺点呢？化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用2.氢能的产生方式1》以天然气，石油和煤为原料，在高温下与水蒸气反应2》电解水制氢气3》利用太阳能分解水制氢气4》利用热化学制氢气5》利用蓝藻等低等植物和微生物在阳光作用下释放氢气缺点：消耗大量的电能，成本高4》5》为最佳方式化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用电解水制氢电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成,如式(1),(2)和(3):Anode:H2O+electricalenergy→0.5O2+2H++2e-(1)Cathode:2H++2e-→H2(2)Overall:H2O+electricalenergy→H2+0.5O2(3)化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用(3)热化学制氢。这种方法是通过外加高温使水起化学分解反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20%-50%，而且还有许多工艺问题需要解决。依靠这种方法来大规模制氢还有待进一步研究。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用①生物转化制氢法：以秸秆为例，秸秆主要由纤维素，半纤维素和木质素通过复杂的方式连接形成，这3种物质的基本成分都是小分子糖类。但由于天然纤维素的结晶结构十分复杂，难以降解，因而很难被微生物所利用。发酵方式采用压力脉动固态发酵法，能够充分利用原料且大大降低废水排放量，在环境保护方面具有极大的优势，为生物质制氢技术开辟了新途径②生物质气化法：将生物质通过热化学转化方式转化为高品位的气体燃气或合成气，产品气主要是H2、CO、少量CO2、水和烃。相对来说，生物质气化技术已比较完善，但存在着制取成本高，气体净化难，副产物多污染环境等缺点，还有待工艺的进一步改进。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用生物制氢技术现状从国内外生物制氢技术的研究现状看，虽然利用生物产氢目前尚处于研究探索或小规模试产阶段，离大规模工业化生产尚有不小距离。但是，有关这方面的研究进展，展现了利用生物生产清洁燃料氢气的广阔前景。在探索利用生物生产氢气的道路上，需要不断寻找产氢气能力高的各种微生物，深入研究生物产氢的原理和条件，完成天然菌种的人工训化，在此基础上，设计出相应的大规模生产装置系统，推进生物制氢工业化革命的到来.化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用(1)微生物制氢。利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。日本北里大学研究人员以各种生活垃圾，如剩菜肉骨等经处理后作为生产氢的原料，借助3种微生物[6]，丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)、产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)和麦芽糖假丝酵母(Candidamaltose)在36oC混和发酵废弃有机物48小时，平均产氢量为15,145mL。这3种菌有协同产氢效应，即产气肠杆菌起主导作用，而另2种菌起协同作用，使代谢产物不易积累，为彼此创造生存环境。由此可见，选择混和菌制氢，利用其互补性，创造互为有利的生态条件，是一条可取的微生物制氢途径。但是，对产氢细胞，不论是游离细胞或是固定化细胞，发酵生产氢所需的复杂的生态条件因素不可忽视。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用（2）光合细菌利用有机废水和活性污泥制氢。2000年1月，我国以厌氧活性污泥和有机质废水为生产原料的有机废水发酵法生物制氢技术在哈尔滨工业大学通过中试研究验证，该项研究在国内外首创并实现了中试规模连续非固定化菌种长期持续生物制氢技术，并实现了中试规模连续流长期持续产氢。是生物制氢领域的一项重大突破，其成果国际领先。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用氢能的开发与利用北京奥运会期间的氢能源公交车化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用1、常压储氢2、高压储氢3、液氢储氢4、金属氢化物5、吸附储氢密度高、但能耗大、且有自然挥发2、氢气的储存化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。其储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。储氢合金都是固体，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用碳纳米管储氢材料化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用镁系合金储氢镁系合金有很高的储氢密度，但放氢温度高，吸放氢速度慢，因此研究镁系合金在储氢过程中的关键问题，可能是解决氢能规模储运的重要途径。因此对金属Mg表面催化改性引起了研究者的兴趣。近年来，有人利用射频喷溅方法制备了Pd包覆的纳米结构的多层Mg薄膜，并对储氢性质进行了研究。结果显示，在100oC,0.1MPa氢气压力条件下，氢的吸附量约为5wt%，薄膜在100oC真空的条件下释放出全部的氢。2006年，Au报道了四氢呋喃处理的镁的氢化-脱氢性质，并且考察了样品的电力能态、晶格结构和微观形貌。研究表明四氢呋喃处理的镁在100oC,3.5MPa条件下吸附了6.3wt%的氢，同时四氢吠喃的处理改善了镁吸附-脱附氢的动力学，在623K具有较理想的反应速率化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用氢配位-化学氢化物储氢材料LiBH4由于具有非常高的储氢量，成为储氢体系最有吸引力的候选材料，理论上通过反应（6）可以脱附13.5wt%的氢。LiBH4SHAPE\*MERGEFORMATLiH+B+3/2H2↑（6）由于LiBH4脱附氢的焓变约为-70kJ/mol，实际应用过于稳定。不能有效、可逆吸附-脱附氢。因此，改变LiBH4的热力学稳定性，降低脱氢温度（低于1000C)成为目前研究的焦点。2006年，有报道用LiBH4+0.2MgCl2+0.1TiCl3材料作为稳定剂来降低脱氢温度，改善吸附-脱附的可逆性很有效，在60oC脱附5wt%的氢。目前在60oC和70bar条件下可以吸附4.5wt％的氢。四方晶体结构的NaAlH4，是另一种有前途的储氢材料。NaAlH4的储氢量约为5.6wt%,NaAlH4的脱氢过程是根据下面的化学反应(7)、(8)进行的：3NaAlH4→NaAlH6+2Al+3H2↑（7）Na3AlH6→3NaH+Al+3/2H2↑（8）LiBH4由于具有非常高的储氢量，成为储氢体系最有吸引力的候选材料，理论上通过反应（6）可以脱附13.5wt%的氢。LiBH4SHAPE\*MERGEFORMATLiH+B+3/2H2↑（6）由于LiBH4脱附氢的焓变约为-70kJ/mol，实际应用过于稳定。不能有效、可逆吸附-脱附氢。因此，改变LiBH4的热力学稳定性，降低脱氢温度（低于1000C)成为目前研究的焦点。2006年，有报道用LiBH4+0.2MgCl2+0.1TiCl3材料作为稳定剂来降低脱氢温度，改善吸附-脱附的可逆性很有效，在60oC脱附5wt%的氢。目前在60oC和70bar条件下可以吸附4.5wt％的氢。四方晶体结构的NaAlH4，是另一种有前途的储氢材料。NaAlH4的储氢量约为5.6wt%,NaAlH4的脱氢过程是根据下面的化学反应(7)、(8)进行的：3NaAlH4→NaAlH6+2Al+3H2↑（7）Na3AlH6→3NaH+Al+3/2H2↑（8）化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用碳系列储氢材料对碳系列储氢材料的研究是近些年兴起的一个热门课题。大家知道，由于碳的多孔结构和碳原子对气体分子的特殊吸引作用，碳对几乎所有的气体都存在或大或小的吸附作用。所以把它作为一种储氢材料来研究也就是自然而然的事。目前对碳系列储氢材料的研究主要是集中在石墨、活性碳、纳米碳管和纳米碳纤维等方面，纳米碳管和纳米碳纤维之所以成为一种热门的储氢材料，一是它们的储氢量大，一般也达到10wt%，有的甚至达到60wt%以上。但此前曾有科学工作者对此进行检验，却以失败告终，然其储氢量比储氢合金高却是不争的事实。这有待我们探索哦化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用近年来，纳米碳在储氢方面已表现出优异的性能，清华大学碳纳米材料研究小组发现一种经处理后表现出显著储氢性能的碳纳米管，它有望作为新的清洁能源成为氢能电池的制造材料。该研究小组的科技人员对定向碳纳米管的电化学储氢特性进行了系统研究，发现这种碳纳米管具有许多全新的力学、电学、热学和光学性能，尤其是将它混以铜粉后表现出的很高的储氢性能。他们将碳纳米管制成电极，进行随流充放电电化学实验，结果表明，混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍，是非定向电极的13倍，比电容量高达1,625mAh/s，对应储氢量为5.7%(质量分数)，具有优异的电化学储氢性能。已经接近美国能源部对车用储氢技术制定的标准对储氢材料的重量和储氢密度的要求。化学与环境工程系0908101唐益宁氢能的开发与利用目前用于储氢研究的无机材料有10种以上，除了以上介绍的，还有金属硫化物储氢材料储、金属-C-H体系、金属-N-H体系储氢材料、碳基储氢材料和氨基硼烷、氮化硼纳米管、碳化硅纳米管等。在研究过程中，纳米技术、掺杂催化技术以及氧化还原理论的应用，使材料的储氢研究得到了长足