化工前沿

化工前沿 世界化工前沿的研究领域有: 一,燃料电池:是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。 二,纳米技术的内涵非常广泛,它包括纳米材料的制造技术,纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域),在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。 三,生物柴油是一种优质清洁柴油。美国的全国生物柴油协会(National Biodiesel Board,简称NBB)对生物柴油的评价如下:无毒(比10%食用盐还小);能生物降解(与食糖相当);基本无硫和芳烃;与石油柴油具有良好的调合性,可以任意比例混兑。 四,各种功能分子和材料。 现就这四方面具体加以说明: 我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一,对能源的需求量持续高速增长。在现有的能源消耗构成中,除煤炭能够自给自足外,石油和天然气供给远远满足不了经济发展的需要。特别是石油,我国石油的国际依存度达到40%。国际石油价格的高涨,不仅增加了购买石油的外汇消耗,而且给我国经济的稳定发展造成了不容忽视的负面作用。柴油植物与石化能源相比,分布相对均匀。我国现有宜农荒地0.34 亿hm2,且大都分布在北方。因此,开发地区性的(如适合北方耐旱的、在盐碱地上可生长的)、含油高的植物,对促进国民经济的发展有重要意义。柴油植物的种植和生产投资少、耗能低,生产设备相对简单,工艺成熟。可在常温常压下进行反应,产率可达到95%以上,不用对现有的发动机做任何改进即可直接使用。其与醇类、气体燃料等相比,更适合于柴油机。而且有良好的发火性能、良好的低温流动性,对发动机没有腐蚀。生物柴油基本不含硫和芳烃,十六烷值高达52.9,可被生物降解,被称为低污染燃料,没有硫散发,可减少酸雨发生。榨油后的残渣、油饼可以用于乙醇发酵和做基肥。 目前,世界上生物柴油的产量已达200 万t,主要分布在欧洲和美国等发达国家。主要用化学法生产,即用动物或植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在碱性催化剂及高温条件下酯交换生成长链脂肪酸甲(乙)酯。在油脂转化工艺上,日本等国家最近研究出直接在多孔性生物载体上培养出富含高活性脂酶的整细胞催化剂,不需要化学添加剂,细胞不需要预处理,反应物与产物有较大的传质速率,且固态催化剂可重复使用,耐久性强,易于造成生物反应器,便于大规模生产。印度、非洲等筛选出了麻风树、大银龙、银合欢等优良柴油植物[2-3]。 国内生物柴油的转化工艺主要还是化学法。化学法存在工艺复杂、醇消耗量大、产物不易回收、对环境造成二次污染等缺点。利用环境友好的生物酶法生产已倍受重视。酶法合成生物柴油条件温和,不仅可以少用甲醇(只用理论量甲醇,是化学催化的1/4~1/6),而且可以简化工序(省去蒸发回收过量甲醇和水洗、干燥),能明显降低能源消耗、减少废水,也易于回收甘油,提高生物柴油的得率。但主要问题是酶成本高、低碳醇转化率低、酶的寿命短、不易连续生产、原料甲醇和副产物甘油对酶活性产生显著的抑制作用而使之快速失活等,这些已成为生物酶法工业化生产生物柴油的技术瓶颈。 未来一段时间,我国仍处在石油消费快速增长期。面对国内原油资源和产能增长缓慢、境外资源勘探开发竞争日益激烈、难度增大、石油供应风险不断上升的严峻局面,抓紧实施石油替代和燃料多元化战略,减轻石油供应给我国经济、外交和政治带来的压力尤为迫切。所以,生物柴油的市场需求量将是很大的。 燃料电池是将储存在燃料中的能量通过电化学过程直接转化为直流电的装置, 是一种清洁、高效、安静运行的电化学发动机, 它必将在21世纪带来能源产业的革命。燃料电池是重要的高效清洁能源技术之一, 受到世界各国政府和科研机构的高度重视, 是当今科技界 最前沿的研究热点之一。。燃料电池涉及到电化学及电催化、热力学、膜科学与工程、微尺度传热与传质学、多相流体力学、自动控制等诸多学科, 是典型的学科交叉技术。燃料电池技术发展到今天, 热流体科学与技术已经成为制约燃料电池产业化的关键因素之一。更深入地研究和解决电池内部的热流体问题不仅是燃料电池技术发展的需要, 也是燃料电池产业化过程中的必然要求, 其所涉及到的问题既是学科前沿, 又具有重大应用背景。其研究的主要对象是以氢为燃料的质子交换膜燃料电池和采用其它燃料的固体聚合物电解质燃料电池研究内容包括燃料电池的设计与结构优化、液/热管理技术、燃料电池中的关键热物理问题、燃料电池电化学与传热传质过程的数学物理模型与数值模拟技术、燃料电池内部热物理参数场的测试技术等。 作为新一代能源技术, 固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC) 发电系统具有能量转化效率高、燃料适应性广、价格低廉、安全方便等特点。SOFC 技术通过长期研究和发展, 其电解质、阴极、阳极等关键材料核心技术已经突破, 并初步具备产业化发展的基础, 但其整体性能的优化仍有待深入研究, 其中解决碳基燃料SOFC 长期稳定性是实现SOFC 商业化的关键所在。必须进一步探索SOFC 发电技术中碳基燃料电化学和催化化学过程, 解决材料稳定性、界面相容性和耐热循环性, 系统中传热、传质与电极反应耦合等科学问题; 发展纳米微米级薄膜制备技术、SOFC 电池堆装配和系统集成技术, 实现SOFC 整机性能的稳定和优化, 推动SOFC跨越式发展。与传统的火力发电技术相比, SOFC 发电技术极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对生态环境的破坏, 具有更高的能量效率, 一次电转化效率为50%~ 60%, 与汽轮机联动后电转化效率为70% ~80%。与必须采用纯氢为燃料的质子交换膜燃料电池( PEMFC) 和甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池( DMFC)相比, SOFC 可以直接采用碳基燃料[5] , 如煤气( 气化煤气、煤层气等) 、天然气、液化石油气、生物质气等, 燃料来源广泛、运输方便、易储存, 使用安全。与PEMFC 和DMFC 必须采用贵金属材料( 如Pt , Pd) 作电极催化剂相比, SOFC 可以采用Ni, Cu 等普通金属作为电极材料, 价格低廉, 使用寿命长。。与相对高温工作( 600 e ) 的熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) 相比, SOFC 具有更高的功率密度, 没有液态的熔盐腐蚀介质, 避免了燃料电池材料的热腐蚀[6]。 纳米技术是指在微域( 100~ 0. 1 nm) 研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉和多种技术综合的技术的总称。。纳米科技将大大拓展和深化人们对微观世界的认识。人们能够在分子、原子水平上制造材料和器件。纳米技术当今在三个研究领域比较活跃, 即纳米材料、纳米器件和纳米检测。纳米材料包括纳米颗粒与粉体、纳米碳管、纳米薄膜和纳米块材等。纳米技术在分子层次上研究具有新奇的特性, 并且在系统、物理和化学性能方面有显著提高的材料。在纳米层次上组织物质的结构, 就有可能不改变材料化学成份的前提下, 控制物质的基本特性, 比如磁性、强度、韧性、蓄电能力和催化能力等。。研究人员预计会出现强度是钢铁的10 倍的材料、重量只有纸张1/ 10 的材料、具有顺磁性或超导性的材料、透明材料和具有更高熔点的材料。日本东陶公司研发的智能性材料, 在瓷砖中加入受阳光照射能防污、抗菌和除臭作用的/ 光触媒0。该材料2002 年用于东京车站的丸大楼表面, 能去除大气中的氮氧化物等有害物质, 其效果相当于200 株白杨树。这种光触媒技术全球领先, 应用范围越来越广。。比如光触媒技术用在玻璃上, 可开发容易去污的窗玻璃; 用在汽车玻璃上不会产生水雾等。碳纳米管是指碳气化,并用钴和镍处理后得到的长分子串, 这种材料性能很好, 十分坚固, 有极佳的导电性。它的尺寸不到人的头发直径的百分之一。它有可能取代硅芯片, 起到晶体管放大和开关作用, 从而引发计算机行业的革命, 也可能用作极细的导线或用于超小型电子器件。纳米管的强度是钢的100 倍, 并且导热和导电的性能优于铜, 所以碳纳米纤维将大有用途。有人预言, 如果说19 世纪是铁的世纪, 20 世纪是硅的世纪, 那么21 世纪则是碳纳米的世纪。 继续阅读