科普常識文章 21世紀(jì)的理想能源——?dú)淠?/p>

作者: 疾風(fēng) 發(fā)布日期: 2006-12-10 查看數(shù): 1583 1583 出自: http://004km.cn 在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀(jì)最理想的能源。這是因?yàn)?，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境；而煤和石油燃燒生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分別產(chǎn)生溫室效應(yīng)和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產(chǎn)物也是水，可源源不斷地產(chǎn)生氫氣，永遠(yuǎn)不會用完。

氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦?fàn)柕臒崃浚瞧桶l(fā)熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運(yùn)送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達(dá)2500℃，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。

在大自然中，氫的分布很廣泛。水就是氫的大“倉庫”，其中含有11％的氫。泥土里約有1.5％的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約71％為水所覆蓋，儲水量很大；因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從水中制取氫，那么氫也將是一種價(jià)格相當(dāng)便宜的能源。

氫的用途很廣，適用性強(qiáng)。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學(xué)能、熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領(lǐng)。可將熱量儲存起來，作為房間內(nèi)取暖和空調(diào)使用。

氫作為氣體燃料，首先被應(yīng)用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫氣作燃料的汽車；后來，日本也研制成功一種以液態(tài)氫為動力的汽車；70年代末期，前聯(lián)邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進(jìn)行了試驗(yàn)，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了110公里。

用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發(fā)動，而且對發(fā)動機(jī)的腐蝕作用小，可延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構(gòu)造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4％的氫氣，用它作為汽車發(fā)動機(jī)燃料，就可節(jié)油40％，而且無需對汽油發(fā)動機(jī)作多大的改進(jìn)。

氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵路罐車、公路拖車或者輪船運(yùn)輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機(jī)的燃料，也可用作火箭、導(dǎo)彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發(fā)射人造衛(wèi)星的長征運(yùn)載火箭，都是用液態(tài)氫作燃料的。

另外，使用氫—?dú)淙剂想姵剡€可以把氫能直接轉(zhuǎn)化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯。當(dāng)然，由于成本較高，一時(shí)還難以普遍使用。

現(xiàn)在世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就 得消耗本來就很緊缺的礦物燃料；另有4%的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究新的制氫方法。

隨著太陽能研究和利用的發(fā)展，人們已開始利用陽光分解水來制取氫氣。科學(xué)家在水中放入催化劑，在陽光照射下，催化劑便能激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，把水分解成氫和氧。例如，二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的光水解催化劑。人們預(yù)計(jì)，一旦當(dāng)更有效的催化劑問世時(shí)，水中取“火”——制氫就成為可能，到那時(shí)，人們只要在汽車、飛機(jī)等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，那么，在陽光照射下，水便不斷地分解出氫，成為發(fā)動機(jī)的能源。

本世紀(jì)70年代，人們用半導(dǎo)體材料鈦酸鍶作光電極，以金屬鉑作暗電極，將它們連在一起，然后放入水里，通過陽光的照射，就在鉑電極上釋放出氫氣，而在鈦酸鍶電極上釋放出氧氣，這就是我們通常所說的光電解水制取氫氣法。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，一些微生物也能在陽光作用下制取氫。人們利用在光合作用下可以釋放氫的微生物。通過氫化酶誘發(fā)電子，把水里的氫離子結(jié)合起來，生成氫氣。

前蘇聯(lián)的科學(xué)家們已在湖沼里發(fā)現(xiàn)了這樣的微生物，他們把這種微生物放在適合它生存的特殊器皿里，然后將微生物產(chǎn)生出來的氫氣收集在氫氣瓶里。這種微生物含有大量的蛋白質(zhì)，除了能放出氫氣外，還可以用于制藥和生產(chǎn)維生素，以及用它作牲畜和家禽的飼料。

現(xiàn)在，人們正在設(shè)法培養(yǎng)能高效產(chǎn)氫的這類微生物，以適應(yīng)開發(fā)利用新能源的需要。

引人注意的是，許多原始的低等生物在新陳代謝的過程中也可放出氫氣。例如，許多細(xì)菌可在一定條件下放出氫。日本已找到一種叫做“紅鞭毛桿菌”的細(xì)菌，就是個制氫的能手。在玻璃器皿內(nèi)，以淀粉作原料，摻入一些其它營養(yǎng)素制成的培養(yǎng)液就可培養(yǎng)出這種細(xì)菌，這時(shí)，在玻璃器皿內(nèi)便會產(chǎn)生出氫氣。這種細(xì)菌制氫的效能頗高，每消耗五毫升的淀粉營養(yǎng)液，就可產(chǎn)生出25毫升的氫氣。

美國宇航部門準(zhǔn)備把一種光合細(xì)菌——紅螺菌帶到太空中去，用它放出的氫氣作為能源供航天器使用。這種細(xì)菌的生長與繁殖很快，而且培養(yǎng)方法簡單易行，既可在農(nóng)副產(chǎn)品廢水廢渣中培養(yǎng)，也可以在乳制品加工廠的垃圾中培育。

對于制取氫氣，有人提出了一個大膽的設(shè)想：將來建造一此為電解水制取氫氣的專用核電站。譬如，建造一些人工海島，把核電站建在這些海島上，電解用水和冷卻用水均取自海水。由于海島遠(yuǎn)離居民區(qū)，所以既安全，又經(jīng)濟(jì)。制取的氫和氧，用鋪設(shè)在水下的運(yùn)氣管道輸入陸地，以便供人們隨時(shí)使用。

開發(fā)氫能還存在一種難題，那就是氫氣的貯存。氫氣雖然可以變成液體裝在特制的鋼瓶里，但是，液態(tài)氫的沸點(diǎn)很低，常溫下的蒸汽壓力又很大，貯存使用很不安全，因而在一般動力設(shè)備上很難推廣應(yīng)用。為了解決氫的貯存問題，人們發(fā)現(xiàn)了鈦、鈮、鎂、鋯、鑭等金屬和它們的合金，能像海綿吸水一樣將氫貯存起來，形成貯氫金屬，而且還可根據(jù)需要隨時(shí)將氫釋放出來，這就大大方便了人們對氫的貯存、運(yùn)送和使用。現(xiàn)在在美國已經(jīng)有這種供給實(shí)驗(yàn)室用的小型“海綿罐”出售。有些貯氫金屬如鈦鐵氫化物，利用空氣加熱放氫，就能使空氣本身降溫到零下20℃，因而可以制成不消耗能源的理想冰箱。

還有一些貯氫金屬的放氫壓力能隨溫度的高低而急劇變化，這樣就可用來制成結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、無振動的氫氣壓縮機(jī)。所以，人們將金屬氫化物也稱為“靜止式氫氣壓縮器”。例如，金屬氫化物——?dú)浠C（VH2），當(dāng)溫度由25℃升高到200℃時(shí)，放出氫的壓力就會由0.19兆帕（1.9個大氣壓）急劇升高到87兆帕（870個大氣壓），可以說是一種比較理想的壓縮機(jī)。