现代新型材料与纳米材料新能源材料

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• 为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最 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。 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。 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 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 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源 系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 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。 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。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。
C6 H11 R
H2，供用户使用
C6 H 5 R
• 该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别 该法储氢量大， 质量分数)， 为7.19％和6.18％(质量分数 ，比高压储氢和金属氢化物 ％ ％ 质量分数 储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用， 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。 储存和运输都很安全方便。 • 催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比 催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大， 较复杂。 较复杂。 21
有机液体氢化物储氢
• 借助储氢载体 如苯和甲苯等)与 H2 的可逆反应来实现 ， 借助储氢载体(如苯和甲苯等 与 的可逆反应来实现， 如苯和甲苯等 包括催化加氢反应和催化脱氢反应。 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
C6 H 5 R
H2，制氢工厂
C6 H11 R
其中R=H、CH4
− HCO 3
+ H2
吸氢，35℃，2.0MPa 释氢，70℃，0.1MPa
HCO
+ 2
+ H 2O
• 以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以 以活性炭作载体， 的催化作用下， 或 的催化作用下 KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为 ％(质 作为储氢剂，储氢量约为2％ 质 量分数)。 量分数 。 • 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好， 氢量比较小，催化剂价格较贵。 氢量比较小，催化剂价格较贵。 20
煤炭开采 海上石油开采平台
严重的生态破坏
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• 生态环境严重破坏： 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾； 年 月 伦敦烟雾 烟雾； 酸雨； 酸雨； 河流干涸； 河流干涸； 干涸
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• 巨大的能源危机： 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 亿吨石油，按现在的开采速度， 已开采 亿吨石油 亿吨石油储量仅够开采50年 的1770亿吨石油储量仅够开采 年; 亿吨石油储量仅够开采 已探明的173万亿立方米天然气仅够开采 年； 万亿立方米天然气仅够开采63年 已探明的 万亿立方米天然气仅够开采 已探明的9827亿吨煤炭还可用 年到 亿吨煤炭还可用300年到 年到400 年; 已探明的 亿吨煤炭还可用 万吨， 储量约275万吨，全球 万吨， 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约 万吨 万吨 全球441座 座 已探明的铀储量约 核电站每年消耗6万多吨浓缩铀 仅够使用100年左右。 万多吨浓缩铀， 年左右。 核电站每年消耗 万多吨浓缩铀，仅够使用 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 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足 水能开发也已近饱和 人类庞大的需求。 人类庞大的需求。
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 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、 氢气的合金被称为储氢合金。 氢气的合金被称为储氢合金。 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， 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。 、 、
富勒烯C60 富勒烯
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 某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢， 在一定条件下分解可放氢。 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 利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化， 碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化 反应为： 反应为：
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。 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 氢密度很小， 单位重量体积很大。 般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到 个大气压下储存在钢瓶内， 般是在 个大气压下储存在钢瓶内 钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。 钢瓶重量的 ，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 为解决氢的储存和运输问题， 氢材料， 主要包括活性炭 无机化合物、 活性炭、 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。 物以及合金化合物四大类储氢材料。
常用高压氢气瓶
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活性炭储氢
• 活性炭比表面积可达 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 以上，低温加压可吸附储氢。 原料易得， 活性炭原料易得 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。 放氢操作都比较简单。 • 富勒烯(C60)和碳纳米管 和碳纳米管(CNT) 富勒烯 和碳纳米管 对氢气具有较强的吸附作用。 对氢气具有较强的吸附作用。 单层碳纳米管的吸氢量比活性 炭高， 的吸附量可达5％ 炭高，H2的吸附量可达 ％-10 质量分数)， ％ (质量分数 ， 有望成为新一 质量分数 代储氢材料。 代储氢材料。
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新能源材料
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• 新能源包括 • 太阳能 • 生物质能
太阳能
• 核能
核能
• 风能
风能
• 地热 • 海洋能 • 氢能
潮汐能 地热
氢能
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• 2009年，世界第八大石油公 年 司巴西石油公司旗下的生物 能源公司代表来到成都， 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 四川的麻风树引 ，希望能将四川的麻风树引 进到巴西种植。 进到巴西种植。 • 麻风树是世界上公认的生物 能源树，其果实可全部用来 能源树， 炼取生物柴油，而且在“ 炼取生物柴油，而且在“碳 汇交易” 汇交易”市场上具有巨大潜 力，
储氢合金的储氢量比较
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• 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求： 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求： 储氢量大，能量密度高； 储氢量大，能量密度高； 吸氢和放氢速度快； 吸氢和放氢速度快； 氢化物生成热小； 氢化物生成热小； 分解压适中： 分解压适中： 容易活化； 容易活化； 化学稳定性好； 化学稳定性好； 在储运中安全、无害； 在储运中安全、无害； 原料来源广、成本价廉。 原料来源广、成本价廉。
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新能源的应用
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储氢材料
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• 氢能是人类未来的理想能源。 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 ×105kJ，相当于 氢可发热1.4× 氢能热值高，如燃烧 氢可发热 ，相当于3kg 汽油或4.5kg焦炭的发热量； 焦炭的发热量； 汽油或 焦炭的发热量 资源丰富， 地球表面有丰富的水资源， 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； 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， 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。 氢能汽车、化学热泵等。
麻风树种植
麻风树果实麻风树果实-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 年 月 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。 客机在首都机场首次验证试飞成功。 波音 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 本次试飞由国航、中石油、 应邀参加。 司合作完成，我校陈放教授应邀参加 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。 • 试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技 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、 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。 决能源问题具有重要意义。
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• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用 我国作为发展中大国，能源消耗巨大， 率不高，能源结构也不合理。 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 年 中国风力发电量达到了 亿瓦， 亿瓦 亿瓦， 亿瓦； 的25.77亿瓦，仅次于美国 亿瓦； 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 年 中国将投入足以实现年发电量 亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。 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 尽管在新能源领域有了大规模的增长， 占据中国电力消耗总量的1% 。 占据中国电力消耗总量的
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。 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
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• 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用 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： 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 • ------------13
Hydrogen storage capacity (wt%)
0 1 2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
Baidu Nhomakorabea1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
现代新型材料与纳米材料
New Materials and NanometerMaterials（8） （ ）
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
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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
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• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础, 文明的三大支柱之一。 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 目前， 世界能源消耗还是以煤、 石油、 矿物能源为主 不但严重破坏生态环境 为主， 严重破坏生态环境， 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。 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。 已成为共识
a b
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
氢原子在合金化合物中的占位： 四面体 四面体； 八面体 氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体
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• 储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且 储氢合金可储存比其体积大 倍的氢， 可储存比其体积大 倍的氢 合金中存储的氢表现为H与 之间的中间特性， 合金中存储的氢表现为 与 H+之间的中间特性 ， 结 合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。 合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。