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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Veziroglu

2001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

(AlkalineElectrolyzer)、质子交换膜电解槽

(ProtonExchangeMembraneElectrolyzer)和固体

氧化物电解槽(SolidOxideElectrolyzer)。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、K2L