化学及可持续发展.ppt

化学与可持续发展 自从远古时代起，人类就开始依赖太阳的恩赐和自然界丰富的矿产和生物资 源。但是，这些资源一直分布不均，并随时代的不同有着不同的重要性。出于这 个原因，人们和国家一再为了争夺它们的所有权而发生冲突。 几个世纪以来，科学和技术，这一人类智慧以及我们了解自然的追求的结晶，使我们能够有效利用天然资源创造丰富的人类文明。高科技可以保护脆弱的人类免受自然威胁，提供安全和保障，并使方便和舒适的生活方式得以成为可能。在20世纪，科学技术有效地使发达国家人口的平均寿命从45岁提高到80岁，并提供了多种多样外部条件，使人类自身的智能和体能都有显著的提高。 另一方面，我们在有效利用有限的资源方面，只取得了部分成功。具有讽刺意味的是，人类在对日益提高的先进文明水平不断追求的同时，导致了重要资源濒临枯竭的严酷现实。并且，似乎为获取这些资源而引发的全球冲突远未结束。 化学是研究材料和物质以及它们的转换过程的科学。因此，化学是一门广泛涵盖许多学科的中心科学。化学提供给我们实现可持续发展所需的知识，换句话 说，化学赋予我们解决威胁人类的继续生存问题所需的知识。化学家的使命是为 社会提出可以通过化学来实现的可能解决方案。 在材料化学的帮助下，我们可以建立一个能源使用不受限制的世界，在这里 我们可以减少二氧化碳的排放，减少对化石燃料的依赖，并减少我们已经并正在 继续对环境造成的影响。我们可以防止稀缺自然资源进一步枯竭，创造新的消费产品，实现新的低碳和资源节约型产业的蓬勃发展，进而推动经济增长。 人口增长和不断提高的生活水平给我们的星球以及我们仍可获得的资源带来了巨大的负担。我们将很快就要逼近我们所能够从地下开采石油的最快速度。 我们对能源的旺盛需求正在产生着越来越多的、导致全球变暖的污染物——二氧化碳，而目前还没有任何一种有效的方法可以将其除去或储存。其他天然资源的供应也令人担忧。目前的评估表明，我们很快就将需要为一些战略矿产寻找替代资源。 我们正在以一种难以估量的方式对我们的星球造成无法弥补的损害。很显然，我们目前对天然资源的使用是不可持续的。尽管有时人们有意无意地指责化学在破坏着环境，然而，化学提供了许多物质，如药物、塑料和燃料等，造福于人类，没有这些我们就无法生存下去。 一, 能源转化与储存 持续的人口增长和生活水平的提高增加了全世界对能源的需求。 这种需求可能将很快超过利用当前可行的途径所能获得的可用能源的量。 材料化学家将帮助开发能够满足未来能源需求的新的可持续能源转换和存储技术， 同时并不增加有害的 CO2排放。将开发出可以在地球上任何地方都能高效的从阳光中捕获能源的可持续太阳能技术。创新的新燃料电池能够有效地利用可再生能源。新一代电池和化学储能技术将使我们能够灵活地储存和运输能源， 并能充分利用间歇形式的能源。 1. 面临的挑战 到 2030 年，持续的人口增长和生活水平的提高将使我们需要的能源比现在至少增加 50%，而这种需求可能会超过现有的常规供应能力。 应对不断增加的能源需求的措施，必须不会引起二氧化碳这种导致气候变化的温室气体排放量的相应增加。当前，全世界的电力主要都是由使用化石燃料为动力的发电厂生产的。这些发电厂是可靠的，但是它们产生大量的二氧化碳。仅在发达国家，电力生产就产生约 30％的 CO2 排放。减少使用化石燃料发电厂的二氧化碳排放量（见第二章：CO2 的固定、活化和利用）应该是可能的。不过，据估计，即使如此，到2030 年我们仍然可能面临从化石资源获得的能源不敷需求的情况。 2. 能量转化 能量从一种形式转换为另一种形式经常要涉及化学反应。 详细了解这些化学反应的机理， 对开发出以能负担得起和可持续的方式驱动化学反应的新材料和过程是至关重要的。 2.1 太阳能 地球上到处都有充足的阳光， 它是未来的能源选择。 人们可以利用光伏技术、光电化学、光催化、热电等技术捕获太阳能并将其转化为可用的形式。这些技术必须要能够大规模利用太阳能才能产生显著的影响。 材料化学家可以开发新的、更持久有效，由廉价、丰富和易于处理的材料制成的光伏（PV）电池。光伏技术是通过将太阳辐射转换成电流来产生电能的。光伏技术已经被广泛采用，普遍认为，它们将在未来能源解决方案中的太阳能利用方面发挥重要作用。然而，目前可用的光伏技术仍有缺陷。很多当前的光伏技术都是硅基的，这是一种丰产元素，但必须达到非常高的纯度才能用于太阳能发电，这使得目前以硅为基础的技术非常昂贵。 2.2 燃料电池和生物能源转化体系 燃料电池是一种将空气中的氧气以及诸如氢、甲醇或碳氢化合物(例如来自生物质)之类的燃料转化为电能的电化学电池。燃料电池不同于普通的电化学电池，因为后者消耗的是需要不断补充的源于外部的燃料。 要在商业上切实可行，需要更加有效、