可持续发展中化学所扮演的角色(一)

详细内容

可持续发展是指既满足当代人的需求,又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。换句话说,就是指社会、经济、资源和环境保护协调发展,它们是一个密不可分的系统,既要达到发展经济的目的,又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境,使子孙后代能够永续发展和安居乐业。而可持续发展的基础是资源的可持续利用和良好的生态环境。当代资源和生态环境问题日益突出,向人类提出了严峻的挑战。化学研究和应用无论是在自然资源的合理开发和综合利用中发挥着重要的作用。还是在生态环境保护和治理方面都起着举足轻重的作用。
　　
　　一、化学与资源开发
　　
　　1、太阳能的开发。太阳能是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,可免费使用,无需运输,对环境无任何污染。太阳能的开发和利用使人类社会进入一个节约能源减少污染的时代。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。其中太阳能电池能直接将太阳能转变成电能,并将电能存储在电容器中,以备需要时使用。目前最新一代的太阳能电池――染料敏化太阳能电池[1],以极其低廉的成本实现光能发电。
　　染料敏化太阳能电池具有类似三明治的结构,将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上,再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极,在工作电极和对电极(通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃)之间是含有氧化还原物质对(常用I2和I-)的液体电解质,它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。在入射光的照射下,镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子,跃迁到激发态,然后向二氧化钛的导带注入电子,染料成为氧化态的正离子,电子通过外电路形成电流到对电极,染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子,还原为最初染料,而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生,从而形成一个完整的循环,在整个过程中,表观上化学物质没有发生变化,而光能转化成了电能。
　　染料敏化太阳能电池是仿照植物叶绿素光合作用原理制备的一种太阳能电池[2]。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体,起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用;染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素,起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样,基于纳米晶电极的太阳能电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。模拟植物光合作用原理制造太阳能电池一直是人类的一个梦想,经过近二十年的发展,这一梦想越来越接近于实现并造福人类社会。
　　2、氢能源的开发。当今世界开发新能源迫在眉睫,原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤等,均属不可再生资源,地球上存量有限,而人类生存又时刻离不开能源,所以必须寻找新的能源。氢是一种热值很高的燃料。氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为286kJ/mol,是汽油发热值的3倍。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质――水,没有任何污染。未来最有前途的燃料电池也主要是以氢为能源。
　　氢能的利用,主要包括两个方面:一是制氢工艺,二是储氢方法。氢的来源非常丰富,若能从水中制取氢,则可谓取之不尽、用之不竭。以水为原料制取氢气的设想比较可行的主要有两种:一是将太阳能聚焦产生高温使水分解;二是寻找特殊化学物质,用于开发廉价能源,以分解水制取氢气。而在氢气的储存方面,可以利用储氢合金来储存氢气。目前研究发展中的储氢合金,主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。也可以用复合氢化物如铝氢化物和硼氢化物储氢[3]。近年来科学家们发现纳米碳可能是一种优异的储氢材料,并对其进行了全面研究,其中纳米碳管、纳米碳纤维等一维纳米碳材料表现出优异的储氢性能[4]。