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1、现代化学进展与中学化学 化学能源与资源开发化学能源与资源开发 化学与新材料的制备化学与新材料的制备 化学与环境保护化学与环境保护 化学与食品安全化学与食品安全 化学与人体健康化学与人体健康一、化学能源与资源开发1、我们所面临的能源状态目前全世界使用的能源目前全世界使用的能源90%90%取自取自化石燃料化石燃料，即，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。间才得以生成，因此是不可在生能源。从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：和天然气的总储量分别为：石石
2、油：油：1 1万亿桶万亿桶天然气：天然气：120120万亿立方米万亿立方米煤煤 炭：炭：1 1万亿吨万亿吨煤煤天然气天然气石油石油化化 石石 燃燃 料料按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料储量有限的化石燃料 我国一次能源消费总量从我国一次能源消费总量从19781978年的年的5.35.3亿吨标准煤，上升到亿吨标准煤，上升到20022002年的年的14.314.3亿亿吨标煤。在吨标煤。在20042004年，我国石油消费量达年，我国石油消费量达3 3亿吨，其中进口亿吨，其中
3、进口1 1亿吨，估计到亿吨，估计到20202020年，年，我国石油消费量要达我国石油消费量要达4.54.5亿吨，其中进口亿吨，其中进口量要达量要达2.72.7亿吨，到亿吨，到20502050年，我国石油消年，我国石油消费量要达费量要达6 6亿吨，其中进口量要达亿吨，其中进口量要达4 4亿吨，亿吨，相当于目前美国的石油进口量。相当于目前美国的石油进口量。大庆油田大庆油田1960年至年至2002年累计生产原油年累计生产原油17多亿吨。多亿吨。27年稳产在年稳产在5000万吨万吨/年以上。年以上。1997年最高产量为年最高产量为5600万吨万吨/年年2002年为年为5013万吨万吨/年年2003年计
4、划产量年计划产量4830万吨万吨/年年进入递减开采期。进入递减开采期。据美国石油业协会估计，在据美国石油业协会估计，在20502050年之前，世界经济的发展将越来越多年之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在地依赖煤炭。其后在22502250到到25002500年之年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将在也将在20202020年被用完；而发展中国家年被用完；而发展中国家在在20602060年也将会发生天然气短缺。年也将会发生天然气短缺。解决能源危机解决能源危机的一般方法的一般方法节约能源节
5、约能源开发新能源开发新能源中国节能标志中国节能标志说说明明：中中间间是是一一个个汉汉字字“节节”，代代表表“节节约约”；“节节”的的“横横”和和外外面面的的圆圆圈圈组组成成了了一一个个大大大大的的字字母母“e”，代代表表能能源源（能能源源的的英英文文单单词词energy的的第第一一个个字字母母）。整整体体图图案案为为蓝蓝色色，象象征征着着人人类类通通过过节节能能活活动动还还天天空空和和海海洋洋于蓝色。于蓝色。新能源新能源太阳能太阳能 水能水能 风能风能 氢能氢能 核能核能 潮汐能潮汐能 地热能地热能 生物质能生物质能2、能源之母、能源之母-太阳太阳能能太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连太阳能即
6、太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度地球轨道上的平均太阳辐射强度为为1367kw/m1367kw/m2 2。地球赤道的周长为。地球赤道的周长为40000km40000km，从而可计算出，地球获，从而可计算出，地球获得的能量可达得的能量可达172,500TW172,500TW。也就是。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于量就相当于500500万吨煤。万吨煤。目前人类所能够使用的能源形式目前人类所能够使用的能源形式美国科学美国人杂志在美国科学美国人杂志在19711971年年7
7、7月刊刊登的月刊刊登的“地球的能量资源地球的能量资源”一文中提供了如下数据，一文中提供了如下数据，到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：1直接反射直接反射52000109kJ/s2以热能形式离开地以热能形式离开地球球81000109kJ/s3水循环水循环40000109kJ/s4大气循环大气循环370109kJ/s5光合作用光合作用40109kJ/s（1）对太阳能的间接利用）对太阳能的间接利用太阳能的间接利用太阳能的间接利用煤炭煤炭当代工业的粮食当代工业的粮食石油石油当代工业的血液当代工业的血液天然气天然气最清洁的化学能源最清洁的化学能源可燃冰可燃冰未来的新能
8、源未来的新能源生物质能生物质能前景广阔的绿色能源前景广阔的绿色能源 “可燃冰可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子，学名为“天然气水合物”，又称“笼形包合物”，分子结构式为：CH4H2O。天然气水合物是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。由于天然气水合物中通常含有大量甲烷或其它碳氢气体，因此极易燃烧，被称为“可燃烧的冰”，燃烧产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气产生的多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。2010年12月15日，中国科考人员在中国南海北部
9、神狐海域钻探目标区内，圈定11个可燃冰可燃冰矿体，含矿区总面积约22平方公里，矿层平均有效厚度约20米，预测储量约为194亿立方米。获得可燃冰的三个站位的饱和度最高值分别为25.5%、46%和43%，是目前世界上目前世界上已发现可燃冰地区中饱和度最高的地方最高的地方。2009年,中国青海省发现巨大储量可燃冰可燃冰,极具潜力成为替代能源。青海省祁连山南缘成功钻获可燃冰样品,远景储量达到350亿吨油当量。有专家认为,本次发现为中国能源史上仅次于大庆油田的重大发现。专家预计,中国可燃冰资源储量接近于常规石油资源量,约为天然气储量的2倍。中国可燃冰资源潜力为803.44亿吨油当量,发展空间巨大。开采是
10、柄开采是柄“双刃剑双刃剑”天然“可燃冰”埋藏于海底的岩石中，和石油、天然气相比，它不易开采和运输，世界上至今还没有完美的开采方案。中国科学院院士、中国地球物理学会理事汪集在一份资料上认为，首先是开采这种水合物会给生态造成一系列严重问题。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大1020倍。如果在开采中甲烷气体大量泄漏于大气中，造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。而“可燃冰”矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，都足以导致甲烷气的大量散失。而这种气体进入大气，无疑人增加温室效应，进而使地球升温更快；同时，由于至今尚没有非常成熟的勘探和开发的技术方法，一旦出了井喷事故，就
11、会造成海水汽化，发生海啸船翻。煤炭液化煤炭液化-煤化工煤化工 煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。过程，生产油品和石油化工产品。过程，生产油品和石油化工产品。过程，生产油品和石油化工产品。煤炭直接液化煤炭直接液化:煤炭煤炭煤炭煤炭煤粉煤粉煤粉煤粉油煤浆油煤浆油煤浆油煤浆加氢裂化加氢裂化加氢裂化加氢裂化液体油品液体油品液体油品液体油品煤炭间接液化煤炭间接液化:煤炭、氧气、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气H H H H2 2
12、2 2和和和和COCOCOCO的混合气体的混合气体的混合气体的混合气体石油的形成石油的形成 石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。百万年的漫长转化过程而生成。水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中
13、在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中汽油性能的表征汽油性能的表征辛烷值辛烷值辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度提高汽油辛烷值的方法：提高汽油辛烷值的方法：1.1.提高异辛烷的含量提高异辛烷的含量铂铼重整铂铼重整2.2.加少量的四乙基铅加少量的四乙基铅Pb(C2H5)2无铅汽油与无铅抗爆剂无铅汽油与无铅抗爆剂 目前，取代四乙基铅的物质主要有：目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚芳香烃类、甲基叔丁基醚MTBE，CH3O(CH3)3、三乙基丁醚、三戊基甲醚、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰羰基锰（MMT）、醇类等，其中以、醇类
14、等，其中以MTBE用量最大。用量最大。无铅汽油不等于无害汽油无铅汽油不等于无害汽油（2）太阳辐射能的直接利用太阳辐射能的直接利用与其他能源相比，太阳能具有独特的与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：优点：（1 1）它没有一般煤炭、石油等矿物）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作污染环境，被称作“干净能源干净能源”。（2 2）到处都可以得到太阳能，使用）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。方便、安全。（3 3）成本低廉，可以再生。）成本低廉，可以再生。对太阳能直接利用的形式对太阳能直接利用的形式a.a.对可见光的利用对可见光
15、的利用主要的利用途径是光电转换，即把太阳能主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。阳光中高达九成以上的可见光。太阳能电池太阳能电池太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在产生电子空穴对，在PNPN结上可以产生光电流、光结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是电压的现象（光伏
16、效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。最合适最理想的太阳能电池材料。太阳能电池太阳能电池 按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：r硅太阳能电池硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）r以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）r功能高分子材料制备的大阳能电池功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）（处于研发初期
17、、转化效率低、使用寿命短）r染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池 （正在研发）（正在研发）无机太阳能电池无机太阳能电池工作原理工作原理r半导体中可以利用各种势垒如半导体中可以利用各种势垒如pnpn结、肖特基势垒、异质结等形结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。成光伏效应。r当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由
18、电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。电流通过金属导线流向电负载。染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池 19911991年年，Grtzel M.Grtzel M.于于NatureNature上发表了关于染料敏化纳米上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池（晶体太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells Dye Sensitized Solar Cells，简称，简称DSSCs DSSCs）的文）的文章以较低的成本得到了章以较低的成本得到了7%7%的光电转化效率，的光电转化效率，为利用太阳能提供为利用太阳能提供了一条新的途径了一条新的途径.1997199
19、7年年，该电池的光电转换效率达到了，该电池的光电转换效率达到了10%11%10%11%，短路电流达，短路电流达 到到18mA/cm18mA/cm2 2,开路电压达到开路电压达到720mV720mV；19981998年年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%33%，从而引，从而引 起了全世界的关注。起了全世界的关注。目前，目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达以上，寿命能达1520年，且
20、其制造成本仅为硅太阳能电池的年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10.染料敏化太阳能电池的优点染料敏化太阳能电池的优点r制成透明的产品，应用范围广制成透明的产品，应用范围广r在各种光照条件下使用；在各种光照条件下使用；r光的利用效率高；光的利用效率高；r对光阴影不敏感；对光阴影不敏感；r可在很宽温度范围内正常工作可在很宽温度范围内正常工作染料敏化太阳能电池的结构染料敏化太阳能电池的结构 染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs)主要包括主要包括镀镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、对电极以及电解质晶薄
21、膜、对电极以及电解质等几部分。等几部分。染料敏化太阳能电池和植物的光合作用染料敏化太阳能电池和植物的光合作用纳米晶半导体网络结构相纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体的内囊体，起当于叶绿体的内囊体，起着支撑敏化剂染料分子、着支撑敏化剂染料分子、增加吸收太阳光的面积和增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用。传递电子的作用。敏化剂染料分子相当于叶敏化剂染料分子相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。收太阳光光子的作用。叶绿体的结构叶绿体的结构染料敏化太阳能电池的工作原理图染料敏化太阳能电池的工作原理图由于由于TiOTiO2 2的禁带宽度较大的禁带宽度较大(32eV)(32
22、eV)，可见光不能将其，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于激发态能级高于TiOTiO2 2的导带，所以电子可以快速注的导带，所以电子可以快速注入入TiOTiO2 2；电子在导带基底上富集，通过外电路流向；电子在导带基底上富集，通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随后被电解质中的后被电解质中的I-I-还原而得以再生，而氧化态的电还原而得以再生，而氧化态的电解质解质(
23、I(I3 3-)在在PtPt对电极上得到电子被还原，从而完成对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电化学反应循环。一个光电化学反应循环。样样 机机太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向r材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发r各种太阳能电池材料研究各种太阳能电池材料研究r杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响r使用薄膜技术和剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。r大规模生产技术的开发大规模生产技术的开发r跟踪与聚光跟踪与聚光r储电及并网发电结合储电及并网发电结合r并网发电已占并网发电已占50%r以建成多个兆瓦级的电站，以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模
24、规模VS太阳能热发电站太阳能热发电站r与建筑物结合与建筑物结合r架设太阳电池组件架设太阳电池组件r日本：日本：1994-2000年年 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280Mr美国：美国：19972010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW 发电成本发电成本6美分美分r集成在建筑材料上集成在建筑材料上r曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃太阳能发电站太阳能发电站 太阳能光伏发电系统主要太阳能光伏发电系统主要由由太阳电池阵列、贮能蓄太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量电
25、控制器及逆变器、测量设备设备等组成。等组成。太阳能发电太阳能发电站一旦建成，不需要运行站一旦建成，不需要运行投资即能运用投资即能运用,但初期投资但初期投资较高。较高。加利福尼亚一家太阳加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能能发电站中的太阳能反射装置反射装置B B 对红外线的利用对红外线的利用主要的利用途径是光热转换，即把太阳主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。能直接转变成热能。太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。利用和高温热利用。低温热利用：低温热利用：地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸
26、馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：中温热利用：空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及其它工业用热其它工业用热其它工业用热其它工业用热高温热利用：高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉和高温炉和高温炉和高温炉C C 对紫外线的利用对紫外线的利用紫外线具有杀菌功效。波长为紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫的紫外光的光子所具有的能量约为外光的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比
27、细菌的蛋白质分子中重要的化学键，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347kJ/mol）、）、C-N（305kJ/mol）和和C-S（259kJ/mol）键的键能大，因此键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。的。3、魔鬼与天使、魔鬼与天使-核能核能（1 1）核裂变能）核裂变能 使一个重原子核分裂成为两个使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。
28、重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，能量，1 1克克235235U U完全发生核裂变后放完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧出的能量相当于燃烧2.52.5吨煤所产生吨煤所产生的能量。的能量。要大规模地和平利用裂变能必须满足两要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。控链式反应的
29、装置称为反应堆。链式反应链式反应中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸“快堆”明天的核电站“锅炉”人们将核反应堆形象地比喻为核电站的人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉锅炉”，在这种，在这种“锅炉锅炉”里烧的是铀、里烧的是铀、钚等核燃料。在核电站钚等核燃料。在核电站“锅炉锅炉”这个家这个家庭中，有一个特殊成员庭中，有一个特殊成员快中子增殖快中子增殖反应堆，简称反应堆，简称“快堆快堆”，现在已成为核，现在已成为核反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆快堆”的的“燃料燃料”却越烧越多，成了魔炉。却越
30、烧越多，成了魔炉。在在“快堆快堆”中用的核燃料是中用的核燃料是239Pu(钚钚b)b)。1 1个每吸收个每吸收1 1个快中子发生裂变反应会放个快中子发生裂变反应会放出出2.45个快中子，除去个快中子，除去1 1个用于链式裂变个用于链式裂变反应后，剩下的反应后，剩下的1.45个快中子会被装在个快中子会被装在反应区周围的反应区周围的238U（大量存在）（大量存在）吸收，产吸收，产生生1.45个新的核燃料原子个新的核燃料原子239Pu。就是说在核锅炉中一边就是说在核锅炉中一边“烧烧”掉，又掉，又一边使一边使238U转为成新的，而且新产生的转为成新的，而且新产生的比比“烧烧”掉的还多。这就使掉的还多。
31、这就使“快堆快堆”的燃料越烧越多。的燃料越烧越多。“快堆快堆”增殖核燃增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量的大量238U废料堆积问题。废料堆积问题。一座快堆核电站，一座快堆核电站，在在515年的时间内年的时间内可使燃料数量翻一番，可使燃料数量翻一番，通过建造快堆核电站，通过建造快堆核电站，既能用既能用238238U U发电，又发电，又能增殖燃料，因此能增殖燃料，因此“快堆快堆”被人们称为被人们称为“明天的核电站锅炉明天的核电站锅炉”。中国快堆在建设中中国快堆在建设中a a、放射性废料的危害
32、、放射性废料的危害核废料是指含有核废料是指含有、和和辐射的不稳定元辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。起细胞内遗传信息的突变。研究表明，孕妇在怀孕初期腹部研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过受过X X光照射，她们生下的孩子与母亲光照射，她们生下的孩子与母亲不受不
33、受X X光照射的孩子相比，死于白血病光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大的概率要大50%50%。受放射性污染的人在。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。流产、死产等遗传效应。b b、放射性核废料的处理、放射性核废料的处理 与核能相关的一个最困难的问与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应题就是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处堆的运行过程中产生的核废料的处理，如何
34、处理这些废料可能将是最理，如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有废料的处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站 所谓所谓“天葬天葬”是指：把核是指：把核废料先固化成玻璃块，装到特废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入推火箭将它送入30003000千米的轨千米的轨道上，让
35、核废料远远离开人类道上，让核废料远远离开人类生活的地球。生活的地球。“火葬火葬”是美国能源部研制的一是美国能源部研制的一种处理核废料的先进方法。火葬前，种处理核废料的先进方法。火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，接通后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度。使坑内的泥土温度上升到几百度。在这样的高温下，泥土开始溶化，在这样
36、的高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物质最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。均被围困在里面，不会外泄。“水葬水葬”就是将深海作为就是将深海作为核废料的墓场。将核废料装入核废料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再
37、用混凝土密密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。封在海底下面。(2)(2)核聚变核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。发生了了好几十亿年了。核聚变的引发核聚变的引发和平利用聚变能实验非常和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。放出巨大的能
38、量。所有的原子核都带正电，两个带正所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到氘核的温度达到5.6105.6108 8k k。氘原子被加热到上亿度的时候，电子氘原子被加热到上亿度的时候，电子就会脱离原子核的束缚，成为一团炽就会脱离原子核的束缚，成为一团炽热的气
39、体热的气体等离子气体。等离子气体。如何容纳这么热的等离子体如何容纳这么热的等离子体强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子体。离子体。月球不但拥有丰富而稳定的太阳能资源，其土壤中还含有氢、氩、氮等资源，特别是核聚变燃料“氦3”的蕴藏量十分惊人。据初步估计，月壤中“氦3”的资源总量可达100万-500万吨，而10吨的“氦3”所产生的能量就能满足全中国一年的需要，100吨“氦3”就能满足全世界一年的需要，这样算下来，月球上的“氦3”能供应全世界使用上万年。4、化学电池、化学电池-实用的能源实用的能源电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质电池按照其使用性质的不同可
40、以分为干电的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大池和燃料电池等几大类。类。原电池原电池锌锰干电池：锌锰干电池：负极负极负极负极是锌做的是锌做的是锌做的是锌做的圆筒，圆筒，圆筒，圆筒，正极正极正极正极是一根碳是一根碳是一根碳是一根碳棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混合剂包围。合剂包围。合剂包围。合剂包围。干电池发电时反应如下：干电池发电时反应如下：rr负极：负极：负极：负极：Zn-2e-=Zn2+Zn-2e-=Zn2+rr正极：正极：正极：正极：2NH4
41、+MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O2NH4+MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2Orr电池反应电池反应电池反应电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+MnO+H2O:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+MnO+H2O 使用过程中，负极锌筒逐渐消使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的耗以致穿漏，正极处的MnOMnO2 2的活性的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。失效。蓄电池蓄电池 蓄电池又称二次电池，可以蓄电池又称二次电池，可以蓄电池又称二次电池，可以蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄
42、电池通过充电使活性物质再生。蓄电池通过充电使活性物质再生。蓄电池通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板的两极均以铅板为骨架，正极铅板的两极均以铅板为骨架，正极铅板的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵上是二氧化铅，负极铅板上是海绵上是二氧化铅，负极铅板上是海绵上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。状铅。状铅。状铅。外外外外部部部部构构构构造造造造内部构造内部构造内部构造内部构造r蓄电池放电时发生下列反应：蓄电池放电时发生下列反应：蓄电池放电时发生下列反应：蓄电池放电时发生下列反应：rr负极负极负极负极(Pb):Pb+SO42-2e-=PbSO4(Pb)
43、:Pb+SO42-2e-=PbSO4rr正极正极正极正极(PbO2):PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O(PbO2):PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2Orr总反应总反应总反应总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2Orr 电池充电时发生与电池充电时发生与电池充电时发生与电池充电时发生与rr 上述反应相反的反应上述反应相反的反应上述反应相反的反应上述反应相反的反应电动自行车电动自行车电动自行车电动自行车锂电池锂电池 锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相锂电池分为一次电池和二次电池
44、两类，照相锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次
45、锂电池。放电的二次锂电池。放电的二次锂电池。放电的二次锂电池。锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车目前，商业化锂离子二次电池的正极目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是材料主要是LiCoO2，负极材料主要为，负极材料主要为C，充电时发生如下反应：，充电时发生如下反应：正极反应：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：负极反应：C+xLi+xe-CLix电池总反应：电池总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。放电时发生上述反应的逆反应。镍氢电池（高压镍氢电池）镍氢电池（高压镍氢电池）r正极：正极：Ni电极电极 Ni
46、O（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-r负极：氢电极负极：氢电极 1/2H2+OH-=H2O+e-r总反应：总反应：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2r电解质：电解质：KOH 电池内氢气的压力：电池内氢气的压力：0.3-4MPa燃料电池燃料电池 燃料电池燃料电池(FuelCell，FC)是一种把储是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种模、大功
47、率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。已经受到了人们的广泛关注。燃料电池的原理燃料电池的原理 氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。氢在氢在负极负极解离成解离成H H+和电子，和电子，H H+进入电解进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。的负载就接在外部电路中。在在正极正极上，氧与电解液中的氢离子获得上，氧与电解液中的氢离子获得
48、经外电路抵达正极上的电子而形成水。经外电路抵达正极上的电子而形成水。氢氧燃料电池原理图氢氧燃料电池原理图燃料电池的种类燃料电池的种类燃料电池按照电解质类型分为五种：燃料电池按照电解质类型分为五种：碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)燃料电池燃料电池类型类型碱性燃料碱性燃料电池电池（AFC）磷酸型燃料磷酸型燃料电池电池（PAFC）质子交换膜质子交换膜燃料电池燃料电池（PEMFC）熔融碳酸盐熔融碳酸盐燃料电
49、池燃料电池(MCFC)固体氧化物固体氧化物燃料电池燃料电池(SOFC)电解质电解质KOHH3PO4全氟磺酸膜全氟磺酸膜（含水的质（含水的质子交换膜）子交换膜）（Li，K）CO3氧化钇稳定氧化钇稳定的氧化锆的氧化锆YSZ阳极阳极Pt电极，电极，氢燃料氢燃料Pt电极，氢电极，氢燃料燃料Pt电极，氢电极，氢燃料燃料Ni催化剂，催化剂，氢燃料氢燃料NiZrO2催化催化剂，甲烷、剂，甲烷、氢燃料氢燃料阴极阴极Ag电极，电极，氧作氧化氧作氧化剂剂Pt电极，氧电极，氧作氧化剂作氧化剂Pt电极，氧电极，氧作氧化剂作氧化剂NiO催化剂，催化剂，氧燃料氧燃料NaCrO4等催等催化剂，氧作化剂，氧作氧化剂氧化剂工作
50、温度工作温度/5020010020050906507006001000导电离子导电离子OH-H+H+CO32-O2-技术发展技术发展状态状态技术成熟技术成熟技术成熟技术成熟高度发展，高度发展，接近成熟接近成熟研发阶段研发阶段研发阶段研发阶段发电效率发电效率/%50554050455050604560燃料电池的优点燃料电池的优点(1)(1)能量转换效率高能量转换效率高(节省燃料资源节省燃料资源)。(2)(2)污染小、噪声低。污染小、噪声低。(3)(3)高度的可靠性高度的可靠性5、环境友好、环境友好-氢能源氢能源氢能经济的背景氢能经济的背景r大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变大气中二氧化碳逐年增加