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化学与能源
化学是一门中心科学，人类面临的资源、能源、环境、健康等问题的解决，在很大程度上依赖于化学的研究和发展。化学的主要发展方向之一是深入研究化学反应理论，以揭示从原料到产物的通道，进而设计机理导向的包括以催化剂为核心的最佳化学过程。
能源是关系到国家和战略安全的领域。如何发展新的能源高效转化技术和洁净能源，不但涉及能源使用效率、更与全球环境气候变化相关联，属于国家重大需求。能源工业在很大程度上依赖于化学过程，能源消费的90％以上依靠化学技术。怎样控制低品位燃料的化学反应，使我们既能又能使能源的成本合理是化学面临的一大难题。
我国是一个能源生产和能源消费大国。我国目前能源消费构成中煤炭比例过高，占能源消费总量的67％。由于我国石油资源有限，要降低煤炭消费比例，只有通过增加天然气、水电、核电、可再生能源和新能源的使用量来实现。新能源是指能可持续使用或可显著提高能源效率的能源，资源丰富，分布广泛，既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成严重威胁。因此，人类越来越重视新能源的开发和利用。我国现在正在开发利用的新能源主要有：风能，太阳能，生物质能，地热能，氢能等。但目前的开发利用量与其资源量相比还只是冰山一角。因此通过大力发展新能源，替代煤炭，弥补石油、天然气的资源短缺，是我国长期能源发展战略和近期能源结构调整的重要选择。 一、我国能源发展的现状
我国目前能源消费构成中煤炭比例过高，占能源消费总量的67％，降低煤炭消费比例是调整能源结构的重要任务。由于我国石油资源有限，要降低煤炭消费比例，只有通过增加天然气、水电、核电、可再生能源和新能源的使用量来实现。根据我国矿产资源保证度的评价，我国石油和天然气资源远不能满足需求，除了煤炭，将来可以依赖的能源资源主要是可再生能源和新能源。 二、新能源的开发与利用
1、开发与利用新能源与可再生能源的意义
新能源和可再生能源主要是指水能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能、燃料电池和生物液体燃料等可持续使用或可显著提高能源效率的能源，资源丰富，分布广泛，属于低碳或非碳能源，既不存在资源枯竭问题，又不会对环境构成严重威胁，是实现可持续发展战略的重要组成部分。新能源与可再生能源开发利用技术是高新技术在能源领域最重要的应用。对我国而言，开发利用可再生能源还有特殊而现实的意义。目前，我国8亿多农村居民的约50％生活用能仍然依靠秸秆、薪柴等生物质直接燃烧提供，落后的用能方式造成了严重
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的室内环境污染，危害人体健康，影响生活质量提高。过度依赖薪柴还造成森林等生态林草植被的破坏，严重威胁生态环境。目前全国还有约2万个村、800多万户、约3000万人口没有电力供应，远离现代文明。随着农村经济的发展和收入水平的提高，农村生活用能中商品能源的比例将大幅度上升，对化石能源供应构成一定压力，同时农村秸秆等废弃物严重过剩，随地焚烧，造成了严重的环境污染。因此，采用新技术开发利用可再生能源，特别是促进生物质能源的优质化利用，对农村建设小康社会、减轻常规能源供应的压力具有重要的现实意义。
2、我国新能源的开发利用现状
新能源的共同特点是比较干净，除核裂变燃料外，几乎是永远用不完的。由于煤、油、气常规能源具有污染环境和不可再生的缺点，因此，人类越来越重视新能源的开发和利用。新能源是相对于常规能源说的，主要有核能、太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能和潮汐能等许多种。我国现在正在开发利用的新能源主要有：风能，太阳能，生物质能，地热能，氢能等。 （1）风力发电
风是由太阳光从上而下照射大气层，使之升温，有由于地球的自转和公转，地球表面附近各处受热不均，大气温差发生变化引起空气流动，空气在水平方向上的流动就形成了风。风能是一种洁净的能源，它蕴藏量大，分布广，不枯竭，可再生的一种可就地利用的能源。
我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据中国气象科学研究院估算，全国陆地上可开发利用的风能约亿kW(依据地面以上10m高度风力资料计算)，海上可开发利用的风能约亿kW，共计约10亿kW。风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿，内蒙古、和甘肃河西走廊，东北、西北、华北和青藏高原的部分地区。另外，内陆也有个别风能资源丰富的地区。我国海域面积广大，海上风能资源也非常丰富，目前技术条件下可在距离海岸10km，深度不超过20m的海域安装风力发电机组。到2002年底，全国并网风力发电装机容量万千瓦，分布在全国32个风电场，主要分布在西北的、内蒙、甘肃和东南沿海的广东、海南、浙江、福建、山东以及东北、河北等地。未来30到50年内随着能源需求的增加，风力资源在我国能源供应，特别是电力供应中的战略地位将日益突出，2050年形成3～5亿kW的能力是可能的。换言之，风力发电的中期(10～30年内)发展潜力可以超过核电成为第三大发电电源，长期(30～50年)可能超过水电成为第二大主力发电电源。总之风力发电将在我国能源供应战略中具有举足轻重的地位。 （2）太阳能的利用
太阳能也是一种清洁可再生的能源，太阳能的开发有着巨大的潜力。太阳每
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秒钟辐射到地球上的能量就相当与500万吨煤，所以说，太阳能是一种巨大的能源。
我国有着十分丰富的太阳能资源。据估算，陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1018千焦（12×10千卡），相当于1700亿吨标准煤。全国各地太阳辐射总量达3340～8400兆焦/平方米·年（80～200千卡/平方厘米·年），中值为5852兆焦/平方米·年（140千卡/平方厘米·年）。全国年平均光照小时数为2200小时，平均太阳能电力为1700TWh，约为目前装机容量的六千多倍。从全国太阳年辐射总量的分布来看，、青海、、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南东部和西部以及省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大，尤其是青藏高原地区辐射量最大。
太阳能热水器是我国目前唯一基本实现了产业化的太阳能热利用产业，在生产能力与应用规模上都已经处于世界首位。尽管如此，我国太阳热水器产业仍是一个新兴产业，与其它成熟产业比较尚处在发展初期，有许多发展中的问题有待解决。但它又是一个朝阳产业，存在着巨大的持续增长的空间。加入WTO为新能源和可再生能源产业，特别是太阳热水器产业的发展带来新的机遇与挑战。 （3）生物质能开发利用
生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光和作用，在各种可再生能源中，生物质能是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源。生物质能是仅次于煤炭，石油，天然气的第四大能源。
近年来，我国及有关部门对生物质能源利用极为重视，国家领导人曾多次批示和指示加强农作物秸秆的能源利用。国家科技部已连续几个五年计划将生物质能技术的应用研究列为重点项目，进行了生物质能利用新技术的研究与开发，用生物或热化学方法制取气体、液体燃料，取得了成功，一大批优秀的科研成果和应用技术进入市场，使我国的生物质转换技术得到了快速的发展。这些技术的推广应用可使农业废弃物得到较好的再利用，并可获得清洁的燃料，从而引起许多地方的兴趣和支持及广大农民的欢迎。
3、我国农村的新能源开发与利用
在我国农村最具有开发价值的新能源是风能，太阳能，生物质能等，特别是生物质能。因为生物质能主要来源于柴薪，牲畜粪便，制糖作物，水生植物，垃圾污水等。这些都是农村地区最常见的东西。若能充分合理的利用现有的条件，为农村地区带来巨大的能源效应，将是一件非常有意义的事情。
在国内应用最广泛的生物质能开发利用技术还是沼气工程技术。中国工业废
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水年总排放量达200亿吨（2002年专家估计），废水中含有机物（COD）710万吨。近期可采用厌氧发酵技术处理的工业有机废水量在23亿立方米左右，估计每年实际可转化的沼气约为60亿 立方米。另外，中国畜禽养殖场每年排放19亿吨废水（2002年专家估计），近期可开发的沼气为40亿立方米。经过近30年的发展，中国厌氧处理工业废水和畜禽养殖场废物的技术，已发展到中、大规模。至2002年底，中国已建立了400余处不同类型工业废水的沼气工程，年处理废水近1亿立方米。建立了600多个大中型畜禽废水、废渣的沼气工程（池容在100 立方米以上）。上述两部分合计，估计沼气工程装置总体积达150万立方米左右，年产沼气近10亿立方米，相当于标准煤100万吨。我国农作物秸杆有7亿吨，除做饲料和建筑材料，每年将有3亿吨剩余量堆在田头、路边还未很好利用，有的就地焚烧污染环境，成为社会上一大公害。如能充分利用这些农作物秸杆，将会为我国农村地区带来巨大的能源资源，也可为我国能源的利用分担一大部分。
三、化学新能源
20 世纪70 年代以来, 随着化石能源的日渐枯竭和人们对环境污染问题的日益重视, 许多国家都加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。美国在1973 年制定了级阳光发电计划，并于1980年正式将光伏发电列入公共电力规划, 累计投资达8 亿多美元。日本、德国等欧共体国家及一些发展中国家也都纷纷制定了相关的发展规划或计划，大幅度增加了对新能源和可再生能源开发利用的投入。新能源的高效利用依赖于新材料的研发。而要降低新材料的研发成本、缩短开发周期，则离不开理论化学。理论化学是用物理学的理论来解释和预测化学现象。
1. 燃料电池
燃料电池是将储存于燃料(H2、甲醇等) 中的化学能转化为电能的一种装置， willliam Grove爵士在19世纪首先提出，是人类所知最早的电能转化技术之一；由于经济、材料等原因，燃料电池的发展落后于蒸汽机和内燃机。20世纪60年代的太空技术，特别是美国阿波罗计划, 开启了燃料电池的新时代。近年来，全球环境保护意识的增强，极大地促进了燃料电池的发展。
根据使用的电解质，燃料电池有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。碱性燃料电池以水溶液或稳定的氢氧化钾为电解质，是发展最快的一种电池，主要用于太空任务。这种电池启动快，但电力密度比PEMFC 低得多。磷酸燃料电池使用磷酸为电解质，工作温度在150～200℃。它对杂质耐受性较强，当反应物中含有1% ～2% 的一氧化碳和百万分之几的硫时仍可工作，且构造简单、稳定，电解
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质不易挥发，缺点是效率较低。熔融碳酸盐燃料电池的电解质是熔融态碳酸盐， 属高温电池( 600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样化等优点。固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，它是在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。PEMFC 是一种清洁、高效的环保电源, 也是电动汽车的动力源。PEMFC工作原理相当于水电解的“逆”过程。其单电池由阳极、阴极和只能传导质子的质子交换膜组成。阴极常用对氧还原(ORR)有较好性能的铂基催化剂，为阻止CO的毒化，阳极多用Pt/Ru, Pt/Ru/W 等铂基合金。两电极的反应分别为： 阳极( 负极) : 2H2 - 4e- = 4H+ (1) 阴极( 正极) : O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O (2)
质子交换膜燃料电池因为不受卡诺循环的，能量转换率高，发电时不产生污染，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。
2. 储氢材料
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体，正引起人们越来越广泛的关注，受到世界各国的高度重视。氢能应用的关键是氢的储运，而储氢材料则是研究的焦点。美国能源部( DOE) 关于储氢材料的应用标准为氢气储存的质量能量密度和体积能量密度应分别达到%和62kg/m3。根据氢与材料作用方式，储氢材料可分为两类。一类是氢以化学吸附储存于材料之中，这类材料储氢量大，但脱氢较困难；另一类属物理吸附，虽储氢能力有限，但氢易于脱附。理想的储氢材料应是氢以分子状态吸附但吸附能应介于物理吸附与化学吸附之间。 （1）金属氢化物
在金属氢化物中氢以原子形式存在。典型的例子是MgH2，其理论储氢容量高达% ，且镁的价格低廉, 储量丰富。直接应用MgH2的主要障碍是脱氢温度高、速度慢。许多研究致力于在球磨MgH2粉末时混合过渡金属对镁基材料进行改性以提高氢的吸附与脱附速率并降低脱附温度。 （2）合金
把氢以金属氢化物的形式储存在合金中是近年来发展的技术。原则上这类合金大都属于金属间化合物。在一定温度和压力下把这类材料曝置在氢气氛中时， 可吸收大量的氢气( 形成金属氢化物)，加热时这些金属氢化物又释放出氢气，利用这一特性就可有效地储氢。
3. 太阳能电池
太阳能是一种重要的洁净无污染新能源。将太阳能转化为电能和热能，对未来社会可持续发展具有重要意义，太阳能电池就是实现光电转换的一种电子学器
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件。目前深入研究和应用的太阳能电池材料主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列。但是硅材料，尤其是高纯硅的制作工艺复杂、成本高,极大了其大规模民用化的进程。因此，改进材料制备及器件制作技术以降低电池成本、设计合成各种新材料、提高光电能量转换效率成为目前太阳能电池领域研究的重要内容。新型有机半导体材料如C60、卟啉、酞菁、五并苯、二萘嵌苯等有机分子及其衍生物以及化学修饰PPV(MDMO-PP,poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)] -1,4-phenylenevinylene)、聚噻吩( P3HT,poly( 3-hexylthiophene))等有机聚合物，具有合成成本低、制作工艺简单等优点，是目前太阳能电池材料的研究热点。此外， 染料敏化太阳能电池( DSSC) 也受到广泛关注。这类材料融合了有机染料良好的光吸收性能和无机半导体TiO2纳米介孔材料的电子传导性质，具有良好的应用前景。一般说来，有机半导体都是宽带隙(> 的材料，且在室温和无光照条件下几乎不存在游离的荷电载流子。其光电转换机理如下：( 1) 光激发材料分子生成激子( 电子-空穴对)；( 2) 激子在电子给体D和电子受体A的异质结( HJ) 界面处发生电荷分离生成电子和空穴载流子；( 3) 电子传导至阴极，空穴被相邻分子的电子中和而传导至阳极产生电流。提高太阳能电池材料的性能，首要的一点就是在太阳光照射时，电池材料能充分地吸收光子的能量并生成稳定的激子。这要求材料的吸收光谱尽可能覆盖整个太阳辐射光谱，并具有较大的吸收系数以有效地捕获太阳辐射；另一方面要保证光生激子的稳定性，并有效发生电荷分离，转化为电子和空穴载流子，迁移到电极附近从而产生光电流。 四、总结
矿物能源一旦使用完就不再有了，能源资源是有限的，我们一定要物尽其用，使它创造出最高的经济价值。未来世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发展。这些能源体系的重大变革都需要技术的革新，技术的革新又将依赖于化学的发展。能源必将成为阻碍人类发展的一大难题，而化学的发展必将在能源问题上开拓出一条可行之道。
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