光催化反应及其环境应用
87页1、环境与能源材料 二氧化钛等半导体材料在环境催化与太阳二氧化钛等半导体材料在环境催化与太阳能利用领域的研究进展能利用领域的研究进展一、研究背景1、化石能源的不可再生性1.1 能源问题光合作用是唯一可利用CO2 和水合成有机物的反应地球上最伟大的反应煤、石油、天然气均是亿万年地球运动积累而成,不能循环使用,也不可能大量地人工合成,不可能回收。2、资源分布的不均匀性 石油:中东地区的剩余可开采储量约占世界总量的2/3。煤炭:美、俄、中占剩余可开采储量 50%以上 。天然气:中东和前苏联地区剩余可开采储量占70以上。 地区间政治、经济和军事冲突的主要原因 1.1 能源问题亿万年形成的化石燃料不过支持了约300年的现代工业文明!如果几十年里不能发展出替代能源,石油危机也就不可避免了。 3、资源的短缺性 在过去100年里,人类消耗了1420亿吨石油和2650亿吨煤, 消费了世界56的石油和60以上的天然气,以及50以上 的重要矿产资源。 BP世界能源统计2007的数据表明,全球石油储量可供生产 40年,天然气和煤炭则分别可以 供应65年和162年 40年60年160年1.1 能源问题4、能源分类一
2、次能源(primary energy):自然存在的、可以直接利用的能源按产生方式不同:风能水力能太阳能地热能核能化石燃料1.1 能源问题二次能源(secondary energy):无法从自然界直接获取,必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。如电力,汽油,煤气,蒸气等二次能源(secondary energy):无法从自然界直接获取,必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。如电力,汽油,煤气,蒸气等二次能源(secondary energy):无法从自然界直接获取,必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。如电力,汽油,煤气,蒸气等按可否再利用:可再生能源(renewable energy)不断获得补充的能源,如,太阳能、生物质能、化学电源、氢能等不可再生能源一旦开采枯竭,便不能再恢复。如煤、石油、核燃 料等1.1 能源问题5、能源材料: 与能源开发、运输、转换、储存和利用等过程相关的材料. 包括:储能材料、节能材料、能量转换材料和核能材料.1.1 能源问题全球每年排放的CO2 高达 240亿吨之巨,几乎未经任何处理!1、温室效应全球气候在近几十年同步变暖,明显开始发生温室效应。 1.2 环
3、境问题目前全球臭氧层正以每年2%至3%的速度削减,如 果任其发展,在21世纪末平流层臭氧含量将降至目前的一半以上,届时人类将会面临一场空前的浩劫 !南极上空的臭氧层空洞1.2 环境问题气候的变化,将对全球生态带来不可估量的影响 。对于人类而言,灾难可能就出现在“后天”2、大气污染1.2 环境问题全球每年排放SO2 2.9亿吨,NOx约为5千万吨,可吸入粉尘酸雨、光化学烟雾、呼吸道疾病洛杉矶光化学烟雾甘肃沙尘暴酸雨效应113重点城市空气质量级别 1.2 环境问题3、荒漠化1.2 环境问题森林破坏速度:每年1130万公顷,以0.35毁灭; 荒漠化面积:地球陆地1/4;染料废水:是目前难降解的工业废水之一,其毒性大,色泽深 ,严重危害了生态环境。1.2 环境问题4、水体污染农药:我国每年农药产量大约20万吨,还从国外进口农药75 万吨。通过喷施、地表径流及农药工厂的废水排入水体中。三峡库区的主要农药污染源依然是有机磷农药中“1605”、甲 胺磷和有机氮农药中呋喃丹三个品种,这三个品种的排毒系 数之和占总排毒系数的91.4%。 生物多样性:每10年510物种消失。 Ref:国家环境保护总局.长
4、江三峡工程生态与环境监测公报 141.2 环境问题151、环境污染的全球化关注1.3 出路与对策半导体光催化是有希望的技术,可以大量的应用于环境保护,例如,空气净化,有毒废水处理,水的净化等。绿色合成化学,如光催化有机合成人口和生活质量的提高,全球能源消耗每年仍以2速度增加,唯一出路是新增部分由可再生能源补充。TW=1012W1.3 出路与对策2、寻求可再生、清洁能源可再生能源的特点自然能(风能、太阳能等)的特点:周期性:一年四季,早晚变化分散性:总体能量巨大,单位面积能量密度很低;地域性:人口密集区往往自然能源不多高效地收集、转换、储存?1.3 出路与对策光伏效应光电化学电池太阳能热利用H OOH222scMe光化学能转化1.3 出路与对策储存:化学相变储热、光化学储能; 转换:光化学合成、太阳能光解水,热解制氢; 利用:光电化学电池 太阳能的利用:太阳能电池太阳能光解水、甲醇、生物质制氢光催化环境净化光催化有机合成. . . . . . 1.3 出路与对策3、环境与能源问题的基本解决方案二、光催化的主要理论2.1、一般背景 有毒废水通常采用氧化塘,地下储水池和垃圾场等手段处理。其
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