人类能源发展中的化学 李达

氢能利用技术

要想直接使水热分解产生氢气，需要4300K 以上的高温，这显然是 不现实的，因此热化学分解水法必须依赖于某种循环试剂。有循环 试剂的热驱动化学制氢原理可以归纳如下： AB+H2O+热→AH2+BO 2BO+热→2B+O2 AH2+热→A+H2 A+B+热→AB
氢能利用技术

氢气具有质量小、热值高、燃烧性能好、无污染、导热性好、储量 丰富、可循环使用、储存方式多样等作为能源的诸多优点，因而受 到世界各国广泛的重视。要想将氢作为能源首先应有包括制取、储 存、运输、应用在内的一套完整的技术系统。 工业制取氢气的技术有水煤气法、裂解天然气法、电解水法、热化 学分解水法、光化学分解水法等等。目前工业生产氢气的方法主要 是裂解天然气法和水煤气法，但为解决能源危机，不应再考虑使用 化石能源制氢，而应将思路转向从水制取氢气。电解水法由于效率 较低，耗能巨大，一般只见于产能严重过剩的国家。氢能要想发展 成为主要能源，更大可能是在热化学分解水法和光化学分解水法上 取得突破。

电气化时代

人类对电的研究由来已久，无论是东方还是西方，都有古代人关于 电学现象的记载。但是当时没有稳定的电源，只能对一些简单的静 电现象进行研究。 电学研究的突破始于伏打电池的发明。1800年伏打通过实验发现将 两种不同的金属浸在盐水中就能产生电流。这一发现立刻引起了极 大的轰动，并有力的推动了电学的进展。以伏打电池作为电源，安 培、奥斯特等人进行实验，发现了大量电学定律。在他们的基础上， 法拉第于1831年发现电磁感应现象并发明了第一台发电机和电动机。 后来经过亨利、西门子等人的努力，发电机与内燃机结合起来，形 成了强大而稳定的电力，使人类进入了电气化时代。


几种煤炭直接液化工艺示意图
化石能源的高效清洁化利用

煤炭气化反应能大大提高煤利用的效率。煤炭直接燃烧的热利用效 率一般为15%~18%，而经过煤炭气化处理后可提升至55%~60%。 此外，煤炭气化还可以使煤在燃烧前脱除硫氮组分，降低污染，并 有便于运输的好处。 19世纪以来，研究出的煤炭气化方式已有上百种，但主要的仍是高 温干馏、发生炉气化、水煤气化、加氢气化这四种。煤的高温干馏 是将煤在隔绝空气的条件下加热至 600~800℃，使煤中有机物热分 解，产生主要含氢气和甲烷的焦炉煤气。煤的发生炉气化是将空气 通入红热的煤层，发生一系列氧化还原反应如C+½O2→CO等而得 到含少量CO和H2的空气煤气的过程。煤的水煤气化是将水蒸气气通 入红热的煤层，发生反应C+H2O→CO+H2而得到水煤气的过程。煤 的加氢气化是将以上过程产生的各种煤气转变为富含甲烷的洁净煤 气的过程，例如令水煤气化过程产生的CO和H2在镍催化的作用下合 成甲烷(即甲烷化反应）CO+3H2→CH4+H2O等。

氢能利用技术

光化学分解水法的关键是寻找合适的催化剂，目前看来主要有半导 体催化剂和配合物催化剂两类。

半导体催化的原理是通过光阳极受光照射后因光电效应而使其中电 子被激发到导带上，在电解质存在条件下与对极(通常是添加的铂黑) 间产生电流，使水中质子接受电子转化为氢气。目前使用的半导体 主要是TiO2，但其具有禁带宽度较大，最大吸收波长小的特点，不 能利用可见光，为解决这一问题，可以采用在 TiO2中掺杂其他禁带 宽度相对较小的半导体如WO3、ZnO等的方法。此外，若在TiO2中 加入过渡金属离子如Fe、Cu等形成杂质置换缺陷，有可能产生活性 中心而增加其催化活性。 配合物催化实际上是对光合作用光反应过程的模拟。科学家发现钌 的某些配合物具有和叶绿素类似的功能，即被光照射后诱发电荷分 离，经一系列偶联作用将水氧化。 02Part Two
古代能源利用与化学
火的发现与人工取火

在旧石器时代 ,人类已经开始使用火。在中国距今 170万年以前的云 南元谋人遗址中,发现含炭层厚达3米左右。这些炭屑,小的如芝麻,大 的如黄豆。这有可能是世界上最早的用火遗迹。这一时期的人类主 要是从雷击、山火等天然火源获得火种来用火的。从现有资料可以 推断，到了旧石器时代后期，人类就掌握了人工取火的方法。 人类对火的认识，经历了从畏惧火到使用天然火种再到人工取火的 过程。人工取火方法的发明是人类历史上一件划时代的大事。在这 一过程中，人类掌握了通过敲击和摩擦把机械能转化为热能的经验 知识，也掌握了通过燃烧利用燃料能源的方法。从这个层面上说， 人工取火技术的发明是人类利用能源历史的开端。
伏打电堆照片与示意图
法拉第制作的第一台发电机
西门子发电机示意图
03
Part Three
新时代的能源与化学
新时代的能源与化学

当前世界能源消费以化石能源为主，随着经济社会的发展，人类面 临化石能源日益减少的能源危机挑战；同时，大规模开发和利用化 石能源带来的气候变化、生态破坏等严重问题，直接威胁着人类社 会的可持续发展。面对这些挑战，人类需要新的技术突破，需要一 场新的能源革命。这次能源革命将包括化石能源的高效、洁净化利 用和新的可再生能源、清洁能源的开发这几个方向。而无论是能源 革命的哪个方向，都有赖于化学发展的推动。在人类能源发展当中， 化学的地位正变得愈发重要。

联产式煤炭气化工艺示意图
新能源技术的开发利用

要解决当前人类面临的环境与能源的双重危机，仅靠提 高化石能源的利用效率和减小污染是不够的，还必须开 发能够代替化石能源的新能源。新能源技术包括光伏电 池技术、燃料电池技术、生物质转化技术、聚变反应堆 技术、地热发电技术、潮汐发电技术、氢能利用技术等 等。这些新能源技术的开发与实现都离不开化学原理， 限于篇幅，此处仅讨论氢能利用技术和生物质转化技术。

风车磨坊
《天工开物》火井煮盐图 （火井即天然气井）
《天工开物》炼铁图
蒸汽时代的到来

早在公元60年，古希腊的希罗就设计过以蒸汽为动力的装置，此后 东西方均出现了许多以蒸汽为动力驱动装置工作的设想。但当时既 缺乏制造机器所需的数学与物理知识，更缺乏优质的，能抵抗蒸汽 压力而保持气密性的金属材料。直到1740年，全英国的钢铁产量只 有1.7万吨，只有今天的千分之一，而且主要是生铁而非钢。因此真 正的蒸汽机不可能产生。

18世纪以后，钢铁冶炼技术技术逐渐成熟，1709年，A·达比采用焦 炭取代木炭炼铁，获得成功，并很快获得了这项技术专利。1750年， B ·亨茨曼发明坩埚炼钢工艺。坩埚炼钢工艺是转炉炼钢技术发明前 最重要的炼钢方法，是欧洲历史上钢首次被熔化冶炼。
蒸汽时代的到来

在条件逐渐成熟后，真正的蒸汽机就产生了。1711年，纽科门造出 了第一台实用的蒸汽机。纽科门蒸汽机经瓦特于1769年改良，其效 率提高了5倍而耗煤降低了3/4。瓦特蒸汽机发明后迅速推动了能源 革命的进展，化石能源开始受到重视，逐渐被大规模使用。英国煤 产量从1790年的260万吨猛增至1836年的3000万吨。随着瓦特蒸汽 机的推广和化石能源的大规模使用，人类踏入了以煤炭为主要能源 的蒸汽时代。 蒸汽机的发明是人类科学技术活动长期持续进行改进的结果，蒸汽 时代的到来，与以牛顿力学热学原理和化学冶金技术为代表的科技 进步是分不开的。可以说，没有化学进步就没有蒸汽时代。


当人类已经可以享受取用火的自由的时候 ,火很快使金属冶炼、烧制 陶器许多化学反应的发生成为可能,原始化学工艺活动就随之展开了。 从这个方面看来，火的发现也是化学史的开端。
燧石敲击取火
原始陶器
原始青铜器
古代化学和能源科学的发展

从发现火到18世纪初，人类对于能源的利用取得了一定的进步，除 了以薪柴和木炭燃烧为代表的火力外，还增加了水力、风力等自然 力作为能源。值得一提的是，此时在我国化石能源也已经开始大规 模使用，宋朝时，煤炭在京都汴梁已是家用燃料，庄季裕在《鸡肋 篇》云：“数百万家，尽仰石炭，无一家燃薪柴火者”即是明证。 但是，从总体来看人类所能利用的能源总量并无革命性的增长，生 产活动的主要能源仍然是以人力和畜力为代表的肌肉力量而非机械 动力。直到瓦特改良蒸汽机，化石燃料中的能源得到充分的利用， 人类对能源的利用才取得了革命性的突破。 在此期间，化学主要处于炼金术时期，并没有对能源科学的发展起 到多大的推动作用，但应用化学的进步使得冶金技术得到发展，高 质量金属产量大大提高，使得大规模生产蒸汽机成为可能，客观上 对第二次能源革命起到了重要的推动作用。
人类能源发展中的化学
作者：李达 515111910137
目 录 / contents
01 02 03
综述 古代能源利用与化学 新时代的能源化学 总结 参考文献
04
05
01
Part One
综述
综述

能源亦称能量资源或能源资源。是指可产生各种能量（如热量、电 能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称，包括煤炭、原油、 天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能 等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和 可再生能源。 能源是人类文明进步的先决条件，是经济和社会发展的重要物质基 础。在分别以火的使用、化石能源的大规模使用、电力的大规模使 用为代表的三次能源革命中，化学始终起着十分重要的推动作用。 在正在到来的以新能源使用为代表的第四次能源革命中，化学学科 的进步无疑仍将引领能源发展潮流，发挥作用。


电气化时代的到来是一系列科技进步的结果，而这些科技进步最初 都发端于伏打的第一个化学电池。伏打电池的发明，得益于化学的 发展，他所用的铝、锌等实验材料大部分也都是靠着炼金术以来化 学的发展而得以制备的。电力的能源革命，是科学技术进步促进能 源发展的绝好例子，化学在此次能源革命中，也扮演了十分重要的 角色。

古希腊希罗的“汽转球”
工业革命时期的英国炼铁高炉
瓦特和他的蒸汽机照片
电气化时代

蒸汽时代的到来使得人类的主要能源变为化石能源，后来出现的以 石油为燃料的内燃机更是加剧了这一趋势。依赖于对化石能源的大 规模使用，人类获得了前所未有的力量。1682年法国建造的大型水 车，据测算功率最多不会超过100kW，当时就已经被誉为世界第八 大奇迹，而到1893年，德国人奥托发明的功率达到150kW的内燃机 已经可以量产。化石能源带来了人类难以想象的力量，推动着社会 进入工业化。 然而，化石能源提供的动力虽然强大，却难以集中和分配，在装备 有大型蒸汽机的工厂、火车锅炉房固然有强大的机器来完成工作， 但这种动力无法普及到民间。人类已经能用 15天横渡大西洋，但普 通民众的生活与几个世纪前毫无分别。在这样的情况下，电力应运 而生。
化石能源的高效清洁化利用

为了减少环境污染，提高煤炭利用效率，减少浪费，降低 CO2排放 量，生产便于运输的燃料，人们开发出了煤炭液化技术。煤炭液化 的方法可分为直接液化、间接液化两大类。 煤的直接液化是让煤在高温高压下与氢反应，使之降解和加氢而转 化为液态烃，所以又称为煤的加氢液化。在这种条件下，煤结构被 深度破坏，其芳环网状结构的薄弱交联处如醚键、亚甲基键等断裂， 形成大小不同的自由基碎片。在外界存在氢的条件下，这些自由基 通过加氢而自稳定化，形成各种低分子烃类和水等。 煤的间接液化是指先以煤为原料气化成合成气，再通过催化剂作用 使合成气转化为液态燃料和化学品的过程。其生产工艺主要是费-托 工艺，即先通过煤气化反应 C+H2O → CO+H2 和 C+ ½ O2 → CO 获得 合 成 气 ， 再 进 行 合 成 反 应 ， 包 括 烷 烃 化 反 应 nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2 O 、 高 级 醇 反 应 nCO+2nH2→CnH2n+1OH+(n-1)H2O等。
1860年以来人类能源结构变化示意图
化石能源的高效清洁化利用

化石能源是当前人类最重要的能源。化石能源的大规模 使用使人类步入了现代化社会，但无节制的开采与使用 化石能源同时也给人类带来了十分恶劣的影响。如今人 们已经意识到，高效清洁化利用化石能源已经刻不容缓。 对化石能源的高效清洁化利用包括煤炭液化、气化技术、 洁净煤技术等等。而这些技术的开发与实行，都离不开 能源化学发展的推动。