东北拉闸限电,煤炭资源告急!如果地球上的煤都烧完了,还有什么能源可以使用?

发布时间:2021-10-12

原创作者:ZHANG Yu


小区的电梯骤然停止,红绿灯无法正常运作,公司没法上班……九月下旬开始,东北多地由于“拉闸限电”的新闻引起了社会的广泛关注。


在此之前,广东、江苏、浙江等多个省份已相继开展多轮 “有序用电”,希望以此来缓解电力紧张,而东北地区则将工业限电措施波及到了生活用电才引起舆论不断发酵。


由于我国三分之二的电力来自燃煤,为了应对气候变化,我们已采取多种措施减少燃煤发电。而煤炭价格随着电力需求增长出现飙升,对企业而言多燃煤意味着更多亏损。

联合国环境署在今年的联合国环境大会召开期间,发布了由全球70多个国家的250名科学家共同编制的第六期《全球环境展望》,在报告中指出了环境污染的严重程度,已加剧对人类健康的威胁,必须要采取紧急措施来解决这一严峻的问题。


2050年可能将有数百万人因环境污染而过早死亡。在能源问题高级别对话中,联合国秘书长古特雷斯也呼吁各国政府,在国际合作的基础上为所有人提供可再生、负担得起的能源


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图一. 世界能源发展历史


纵观世界能源发展历史(图一),人类能源工业的发展已经经过了由薪柴到煤炭,再由煤炭向油气的两大转变。而煤炭、石油等高碳能源均属不可再生资源,地球上存量有限,在利用这些能源的同时也带来了日益严重生态环境问题,那么,人类利用能源的步伐究竟该何去何从呢?



1、为什么选择氢能?


1766年,英国科学家卡文迪许利用铁,锌等与稀硫酸,稀盐酸作用制得“易燃空气”——氢气(H2),关于氢气的研究至此开始。1970年,约翰·博利克斯在美国通用汽车公司技术中心演讲时,第一次提出了氢经济(Hydrogen Economy)的概念,描绘了当时石油危机后用氢气取代石油在未来成为主要的能源形式,并用氢经济取代现有的石油经济体系,从而实现环保的目标。近年来,多个国家的政府和企业都在克服技术与成本的困难,加速推进氢能战略实施。国际氢能委员会预测到2050年,氢能市场规模可达2.5万亿美元,在能源需求比例中占比将接近20%。


氢能是一种清洁无污染、可长期存储二次能源,在可再生能源体系中扮演着举足轻重的地位。


1. 自然界中储量丰富,可再生


2. 燃烧性能好,安全无毒,且燃烧速度快,燃烧产物只有水H+O→H2O

无其他温室气体及污染物排放,不会形成二次污染,与其他燃料相比更清洁。


3. 氢气发热值为142~351KJ/kg,远高于汽油及其他燃料。比如切割、焊接以及有机玻璃制品火焰抛光等方面的应用正是利用了氢气发热值高的特点。


因此,氢能被认为是化石能源最有前途的替代物之一,被视为21世纪最有发展潜力的清洁能源,可以应用到生产生活的方方面面(图二)。


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图二. 氢能的制备及应用


比如,炼油过程中的加氢反应,丙烷脱氢合成氨、甲醇等,另外,在冶金工业、电子工业、食品工业、玻璃产业等领域也有应用。同时,作为新能源,氢能也是氢动力汽车、氢燃料电池、氢能发电的新兴燃料。



2、氢能如何获得?


氢气为二次能源,必须通过一定的方法来制取,按照来源的不同主要分为四类:化石能源制氢、其他含氢物质制氢、太阳能制氢和可再生能源制氢

 

由于制氢原料的差异,各种制氢技术制得的氢气中杂质组成及其含量也差别很大,其中水电解制氢技术相对更易获得高纯度的氢气。氯碱工业中常用饱和食盐水来电解获得氯气和烧碱,同时也可获得高纯度的氢气,比如京东方就曾用该方法制得氢气,用于生产中作为还原剂和保护气,但是该方法成本高,难以广泛应用。

 

因此,开发高效且经济的电解水制氢方法一直是来数百年来科学家们不懈努力的方向。1789年,荷兰发明家首次成功以莱顿瓶(图三(左))盛水发电,1800年,意大利物理学家亚历山罗德·伏打,研究发明伏打电堆(图三(中))。在伏打电堆的基础上,同年,威廉·聂歌逊和安东尼·卡莱尔便以此成功进行水电解。1869年,比利时电气工程师齐纳瑞·格拉姆发明了世界上第一部电解水机即格拉姆机(图三(右)),大大降低了电解水产氢的成本。


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图三.(左)莱顿瓶,(中)伏打电堆和(右)格拉姆机



3、高中课本中的电解水——氢气制备的化学原理


电解水的过程同时涉及析氧反应OER(Oxygen Evolution Reaction)析氢反应HER(Hydrogen Evolution Reaction),反应方程式如下:


阴极还原反应,氢气析出,即发生HER(Hydrogen Evolution Reaction):

2H2O+2e=H2↑+2OH-


阳极氧化反应,氧气析出,即发生OER(Oxygen Evolution Reaction):

2H2O-4e=O2↑+4H+


由于OER反应涉及四个电子的转移,因而动力学速率缓慢,导致反应过程中所需过电位高,效率低,严重制约了能源转化装置的发展和实际应用。因此,探索具有高效催化活性的OER催化剂成为提高能源转化效率的关键之一。


在不同的反应条件下,析氧反应过程均涉及OOH*O*OH*中间体的吸附,如下反应方程式所示,以碱性条件为例:


*+OH-→OH*

OH*+OH-O*+H2O+e-

O*+OH-OOH*+e-

OOH*+OH-→ *+O2+H2O+e-


其中*代表催化剂表面的活性位点,OOH*、O*和OH*均为吸附中间体。根据OER的四步电子反应机理,可以看出提升OER反应催化性能时,催化剂表面活性位点越多,越容易吸附OH促进反应的发生,另外还需要对O2有较强的脱附能力,使得生成的O2能及时从催化剂表面解离。



4、高效电解水,什么是关键?


一个理想的电解水催化剂必须满足两个基本条件,首先,能高效催化水解反应,以最小的外界电压产生较大的电流密度,其次,稳定性好,可以长时间催化水解反应。

 

二氧化钌RuO2二氧化铱IrO2是目前已经商业化的OER反应催化剂,催化活性高,但是售价昂贵,每克IrO2售价更是超过1000元人民币,比黄金价格的两倍还多,无法在工业生产中广泛应用。因此,寻找高效且经济的OER催化剂仍是科学家们不断探索和努力的方向。

 

铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和钌(Ru)、铱(Ir)等同属于过渡金属,位于元素周期表的VIII族(图四),但是在自然界中储量丰富,获取便利,价格低廉,逐渐引起科研工作者的关注。


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图四. 元素周期表


近年来不断有关于Fe、Co、Ni等在OER及HER反应催化方面的研究和报导,这些催化剂性能相对稳定,催化效果甚至超越了已经商业化的RuO2和IrO2,为工业化应用奠定了基础。但是,关于这些催化剂的研究尚在实验室阶段,且制备过程复杂,对各方面的要求较高,能否运用在实际生产生活中,仍然需要很长的时间来检验。



5、氢能时代会不会来临?


2017年7月30日,《BP世界能源统计年鉴》发布,截止 2017年底,地球上石油探明储量为1.6966万亿桶,按现有开采水平仅可供人类开采50.2年。煤炭储存10000多吨,可开采200多年。同时,由于煤炭及化石燃料燃烧而引起的全球升温等环境问题同样亟需全人类积极应对。联合国环境署今年发布的《全球环境展望》也强调了国际社会已经具备必要的知识,技术和资金去寻找更加可持续的发展途径。

 

尽管氢能已被认为是目前最有效的替代能源,然而氢能目前的应用范围相对有限,且缺少安全可靠的运输及存储方法,另外关于氢能系统性的政策少,国家层面对氢能的产业地位和发展规划不清,这些问题都需要社会各界乃至全世界的广泛合作才能早日得到解决,实现能源与环境间的平衡,走上可持续发展的道路。



参考文献:

1.多国推进氢能战略实施[N].王婧.经济参考报.2021-09-24(004).

2.Wang, Jiahai, et al. "Recent progress in cobalt‐based heterogeneous catalysts for electrochemical water splitting." Advanced materials 28.2 (2016): 215-230.

3.Wan, Kai, et al. "Hierarchical porous Ni3S4 with enriched high‐valence Ni sites as a robust electrocatalyst for efficient oxygen evolution reaction." Advanced Functional Materials 29.18 (2019): 1900315.

4.zh.wikipedia.org/wiki/

5.Zhang, Yu, Zhiyuan Zeng, and Derek Ho. "Mn dopant induced high-valence Ni 3+ sites and oxygen vacancies for enhanced water oxidation." Materials Chemistry Frontiers 4.7 (2020): 1993-1999.



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