新能源材料教育课件
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•新能源材料PPT讲 座
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
2
主要内容
新能源材料 储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料
3
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到 钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。 • 为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储 氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合 物以及合金化合物四大类储氢材料。
常用高压氢气瓶
18
活性炭储氢
• 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾； 酸雨； 河流干涸；
5
• 巨大的能源危机：
已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
• 借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现， 包括催化加氢反应和催化脱氢反应。
储存、运输
催化加氢
储存、运输
催化脱氢
C6H5R H2，制氢工厂 C6H11R 其中R=H、CH4 C6H11R H2，供用户使用 C6H5R
• 该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别 为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物 储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其 储存和运输都很安全方便。
反应为：
HC3OH2
吸氢，35℃，2.0MPa 释氢，70℃，0.1MPa
HC2OH2O
• 以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以
KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质 量分数)。
• 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储 氢量比较小，催化剂价格较贵。
20
有机液体氢化物储氢
13
主要特点 新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源； 新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换； 新能源材料可以增加能源利用的新途径。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
14
新能源的应用
15
储氢材料
16
• 氢能是人类未来的理想能源。
氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg 汽油或4.5kg焦炭的发热量；
• 催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比 较复杂。
21
合金化合物储氢
• 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放 氢气的合金被称为储氢合金。
• 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙， 形 成 金 属 氢 化 物 ， 如 TiH2 、 ZrH1.9 、 PrH2.8 、 Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。
核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足
人类庞大的需求。
6
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用 率不高，能源结构也不合理。
2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
7ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最 充分利用技术和环境最小负担技术。
• 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 • 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源
• 麻风树是世界上公认的生物 能源树，其果实可全部用来 炼取生物柴油，而且在“碳 汇交易”市场上具有巨大潜 力，
麻风树种植
麻风树果实-小桐子
11
• 2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于 波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。
• 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。
资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到 11.1％；
干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
氢能汽车、化学热泵等。
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。
17
• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 • 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一
系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 • 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
8
新能源材料
9
• 新能源包括
• 太阳能
• 生物质能 • 核能
太阳能
• 风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能
核能 地热
风能
氢能
10
• 2009年，世界第八大石油公 司巴西石油公司旗下的生物 能源公司代表来到成都，与 四川大学生命科学学院洽谈 ，希望能将四川的麻风树引 进到巴西种植。
• 试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技 术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解 决能源问题具有重要意义。
12
• 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及 发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：
• 储氢合金为代表的储氢材料 • 锂离子电池为代表的二次电池材料 • 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 • 硅半导体为代表的太阳能电池材料 • 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 • -------------
• 富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。
富勒烯C60
单层碳纳米管的吸氢量比活性
炭高，H2的吸附量可达5％-10 ％(质量分数)，有望成为新一
代储氢材料。
碳纳迷管
19
无机化合物储氢
• 某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后 在一定条件下分解可放氢。
• 利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
2
主要内容
新能源材料 储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料
3
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到 钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。 • 为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储 氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合 物以及合金化合物四大类储氢材料。
常用高压氢气瓶
18
活性炭储氢
• 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾； 酸雨； 河流干涸；
5
• 巨大的能源危机：
已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
• 借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现， 包括催化加氢反应和催化脱氢反应。
储存、运输
催化加氢
储存、运输
催化脱氢
C6H5R H2，制氢工厂 C6H11R 其中R=H、CH4 C6H11R H2，供用户使用 C6H5R
• 该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别 为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物 储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其 储存和运输都很安全方便。
反应为：
HC3OH2
吸氢，35℃，2.0MPa 释氢，70℃，0.1MPa
HC2OH2O
• 以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以
KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质 量分数)。
• 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储 氢量比较小，催化剂价格较贵。
20
有机液体氢化物储氢
13
主要特点 新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源； 新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换； 新能源材料可以增加能源利用的新途径。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
14
新能源的应用
15
储氢材料
16
• 氢能是人类未来的理想能源。
氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg 汽油或4.5kg焦炭的发热量；
• 催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比 较复杂。
21
合金化合物储氢
• 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放 氢气的合金被称为储氢合金。
• 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙， 形 成 金 属 氢 化 物 ， 如 TiH2 、 ZrH1.9 、 PrH2.8 、 Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。
核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足
人类庞大的需求。
6
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用 率不高，能源结构也不合理。
2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
7ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最 充分利用技术和环境最小负担技术。
• 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 • 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源
• 麻风树是世界上公认的生物 能源树，其果实可全部用来 炼取生物柴油，而且在“碳 汇交易”市场上具有巨大潜 力，
麻风树种植
麻风树果实-小桐子
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• 2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于 波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。
• 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。
资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到 11.1％；
干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
氢能汽车、化学热泵等。
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。
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• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 • 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一
系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 • 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
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新能源材料
9
• 新能源包括
• 太阳能
• 生物质能 • 核能
太阳能
• 风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能
核能 地热
风能
氢能
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• 2009年，世界第八大石油公 司巴西石油公司旗下的生物 能源公司代表来到成都，与 四川大学生命科学学院洽谈 ，希望能将四川的麻风树引 进到巴西种植。
• 试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技 术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解 决能源问题具有重要意义。
12
• 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及 发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：
• 储氢合金为代表的储氢材料 • 锂离子电池为代表的二次电池材料 • 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 • 硅半导体为代表的太阳能电池材料 • 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 • -------------
• 富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。
富勒烯C60
单层碳纳米管的吸氢量比活性
炭高，H2的吸附量可达5％-10 ％(质量分数)，有望成为新一
代储氢材料。
碳纳迷管
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无机化合物储氢
• 某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后 在一定条件下分解可放氢。
• 利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢