化学-可持续进展.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??。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;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、低成本和含有从可持续材料制成的组件的燃料电池。质子交换膜燃料电池，也被称为聚合物电解质膜（PEM）燃料电池正在被开发用于移动式、固定式以及便携式燃料电池的应用。需要开发比（目前质子交换膜燃料电池使用的） 标准碳负载铂粒子催化剂具有更高催化活性的新材料。 ;3 能量储存 对可靠的、可规模化的能量存储技术有着迫切的需求。许多可再生能源如太阳能、风能是间歇性的并产自偏远地区，因此很难直接进入电网。但是，如果能源可以有效地、安全地储存，就不再需要持续不断的能源供应。超大规模存储系统将可以使从间歇性能源生产的能量储存起来以备后用。 3.1 电池和热能的储存 目前电池技术的能量密度必须在短期内得到改善。 先进锂离子电池将是能量存储的一个过渡性解决方案。 对锂的需求可能会很快超过现有可获取的全球供应量，因此，将需要新一代基于更丰富易得元素的电池;3.2 化学储能和氢气 因为与氧气反应时可以释放能量， 燃料分子的化学键可以作为储存能量的有效方式。燃烧可以使所储存的能量释放出来。化学储能设备可以和适当的能量转化手段（见上文）相结合来生产需要时可以燃烧的如氢气、烃类化合物等燃料。 氢气是一种高度可持续的化学能形式，因为水是它