仓央嘉措相思十诫:氢的制取及氢能的利用

技术和经济的发展以及人口的增长,使得人们对能源的需求越来越大。目前以石油、煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源。一方面,化石燃料的使用带来了严重的环境污染, 大量的CO2、SO2、NOx 气体以及其他污染物,导致了温室效应的产生和酸雨的形成。另一方面,由于化石燃料的不可再生性和有限的储量，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。据估计，按照目前的消耗量，石油仅仅能维持不到50年, 而煤也只能维持200 年，Kazim 和Veziroglu2001 年指出，作为主要石油输出国的阿拉伯联合酋长国，将在2015 年无法满足石油的需求。Abdallah等在1999 年宣布，埃及的化石燃料资源，在未来的20 年内就会耗尽。而作为能源需求大国的中国，目前已经有超过31%的石油需要进口，而到2010 年，这一数字将会增长到45%～55%。基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机，发展清洁的、可再生的新能源的要求越来越迫切。太阳能、风能、生物质、地热能、潮汐能具有丰富、清洁、可再生的优点,近年来受到了国际社会的广泛关注。尤其以太阳能、风能以及生物质能，更被视为未来能源的主力军。根据简单估算，太阳能的利用率为20%时，利用陆地面积的0.1%就足以提供满足当前全球的能量需求。而中国仅仅依靠风力发电, 就足以使目前的发电量翻一番。然而，这些可再生资源具有间歇性、地域特性，并且不易储存和运输的特点，氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点,被视为最理想的能源载体。1 氢的制取1. 1 电解水制氢电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术,当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电,并且浸入水中时,在催化剂和直流电的作用下,水分子在阳极失去电子，被分解为氧气和氢离子,氢离子通过电解质和隔膜到达阴极,与电子结合生成氢气.这个过程就是电解水,其装置即电解槽。目前市场上的电解槽可以分为3 种: 碱性电解槽(Alkaline Electrolyzer)、质子交换膜电解槽(Proton Exchange MembraneElectrolyzer)和固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)。目前国内外广泛研究的电解水制氢反应有电解海水制氢，利用可再生资源电解水制氢。1. 2 太阳能热化学循环制氢太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术。首先,由太阳能聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温。然后由这些高温推动产氢的化学反应以制取氢气。目前,国内外广泛研究的热化学制氢反应有水的热分解(thermolysis)、H2S 的热分解和热化学循环水分解。1. 3 利用生物质制氢生物质作为能源，其含氮量和含硫量都比较低,灰分份额也很小,并且由于其生长过程吸收CO2,使得整个循环的CO2 排放量几乎为零。目前对于生物质的利用,尤其在发展中国家，比如中国、印度、巴西,还主要停留在对生物质的简单燃烧的低效率利用上。除燃烧外,对生物质的利用还有热裂解和气化,以及微生物的光解与发酵。利用生物质热裂解和气化产氢具有成本低廉，效率较高的特点，是有效可行的制氢方式，目前国内外广泛研究的利用生物质制氢反应有生物质热裂解制氢、生物质气化制氢和生物质超临界水气[ 收稿日期] 2009-01-17[ 作者简介] 周静（1981-），女，助教，研究方向为物理化学。
化制氢。1. 4 其他制氢技术除热化学方法外, 生物质还可以通过发酵的方式转化为氢气和其他产物。此外,微藻等水生生物质能够利用氢酶(Hydrogenase)和氮酶(Nitrogenase)将太阳能转化为化学能———氢。这些生物制氢技术具有良好的环境性和安全性, 但还处于早期的研究阶段,制氢机理还未透彻理解,尚需大量的研究工作。太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术，TiO2 及过渡金属氧化物,层状金属化合物如K4Nb6O17、K2La2Ti3O10、Sr2Ta2O7 等，以及能利用可见光的催化材料如CdS、Cu-ZnS 等都经研究发现能够在一定光照条件下催化分解水从而产生氢气。但由于很多半导体在光催化制氢的同时也会发生光溶作用, 并且目前的光催化制氢效率太低,距离大规模制氢还有很长的路要走。尽管如此,光催化制氢研究仍然为我们展开了一片良好的前景。2 氢能的利用———氢燃料电池过去，人们总以为氢气是一种化学元素，很少把它作为能源来看待。自从出现了火箭和氢弹之后，氢气又变成了航天和核武器的重要材料，现在又将其制成氢燃料电池，为人们提供电能。氢燃料电池与普通电池的区别, 主要在于干电池、蓄电池是一种储能装置，能把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。20 世纪60 年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70 年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同，电网有时呈现为高峰，有时则呈现为低峰，这就会导致停电或电压不稳。另外，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。氢的化学特性活跃，它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后，形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解，并把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。随着制氢技术的发展，氢燃料电池离我们的生活越来越近。到那时，氢气将像煤气一样通过管道被送入千家万户，每个用户则采用金属氢化物的贮罐将氢气贮存起来，然后连接氢燃料电池，再接通各种用电设备。它将为人们创造舒适的生活环境，减轻繁重的生活事务。·28· 河北化工第4期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第6 页）Second Choice of Carbon Hydrogenation CatalystsWANG Hong-mei，WANG Zhi(The Northwest Research Institute of Chemical Industry, Lintong 710600,China)Abstract: This paper analyzes the domestic and international carbon fraction second choice from acetylene hydrogenationprocess of the status quo, from the carrier, catalyst and catalyst deactivation of these three areas, introduced twocarbon fraction of the selective hydrogenation study progress to improve selectivity and reduce investment , saving energyand reducing consumption of ethylene is the general trend of industrial development.