新材料与能源环境

姓 名： 李帅

学 院： 化工学院

班 级: 矿加09—2班 学 号： 12345678

新材料与能源环境

一、 引言

当前，我国经济高速发展，但是单位GDP的能耗却居高不下，反而略有上升，这种高能耗、高成本、低效益的粗放型发展模式严重制约我国经济发展的健康性和持续性，严重破坏了人与自然的和谐发展，最近频发的自然灾害便是大自然对人类行径的强烈控诉，。所以，我们要认识到我们发展的不足，调整经济发展模式，人与自然和谐共处。

二、 我国能源、环境现状

近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国关注的热点，各国都在从自己本国的国

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情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺， 环境容量有限，西部生态脆弱，能源与环境问题尤为严重。它极大的制约了我国的可持续发展。近年来，我国 GDP 每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。

煤现在是、将来(直到 2050 年或更晚)仍是我国能源的主力，煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70%—80%以上的 SO2、 NOx、汞、颗粒物、CO2 等都是由于煤炭直接燃烧所引起的，目前我国温室气体排放已居世界第 2 位，近年来还在不断的快速增长，如此下去在 10 年或略长一些的时间内将超过美国，居世界第一。如果不采取有效的行动，中国将为此付出惨痛的代价。

用可再生资源取代煤炭等传统的能源是时代的必然，但目前来看，可再生能源(主要是风能、太阳能和生物质能)在 2020 年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，这个情况和欧洲的其他国家在国情上有很大区别。一些欧洲国家，他们总能耗已经不再增长(或增长很少)，可再生能源的发展逐步替代目前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备(其中主要是燃煤的发电)，每年增长的装机容量是 60—80GW，超过三个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。

总体来说，我国能源、环境面临着严峻的挑战：1.总量需求的巨大压力，从 2000 到 2020 年，国家规划全国 GDP 增长四倍，而能源消耗增长一倍，这意味着能源弹性系数应为 0.5。但是最近三年，这个系数为 1.3 以上，即能源需求将远远大于规划。从发展趋势来看，我国工业已进入重要阶段，按世界各国发展的历史规律来看，能耗迅速增长不可避免，问题是这么大的一次能源需求我们是否能够供应？其所引起的污染是否有足够的环境容量？怎么解决？ 2.环境污染严重，污染物质主要是 SO2、NOx、PM2.5-10、Hg 和 CO2，这些污染物的80%是由于化石能源的应用，尤其是煤的直接燃烧所引起。目前我国

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有30%—40%的地区(尤其是西南地区)出现酸雨现象，呼吸系统疾病不断增加。3.温室气体排放目前全球每年排放 250 多亿吨 CO2，空气中的 CO2 浓度，从工业化 150 多年以来，已从 280ppm 增至 380ppm，目前以 3ppm/年的速度增长。温室气体对地球将形成的灾难性后果，在经历了长期的争论后，全世界的学者已有共识。所以，全世界都在采取多种措施减排 CO2，我国已于 2002 年成为 “京都议定书” 的第 37 个签约国。总的来说，作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从战略高度、从现在开始就应该认真考虑我国 CO2 如何分阶段减排的有关战略技术和政策问题，否则，在今后几十年我国将会为此付出更多的代价。4.八亿农民及城镇化所需能源的供应不足，到目前为止，有相当数量的农民没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地的农业废弃物(秸秆、柴草等)作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破坏生态。此外，我国城镇化率以每年 1%在增长，每年有将近一千万人口进入新的城镇。据统计，每个城镇居民人均所消耗的能源是农村人均的 3.5 倍。这部分份额巨大的能源应来自何处？怎样才能结合社会主义新农村的建设提供给广大农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务， 以减少生态破坏，减少室内污染，提高农民生活质量……

面对这些严峻的能源和环境的挑战，我们何去何从，其实，有人已经为我们指明了一条道路，那就是新材料，下面我将从新能源材料和环境材料两方面来阐述一下这两条路。

三、 新材料 1、新能源材料

能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。太阳能电池材料是新能源材料，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易

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爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。

新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；储氢材料使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。一些新材料可提高储能和能力转化效果，如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定着核反应堆的性能与安全性。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池的电极材料决定着电池的质量和寿命，材料的制备工艺又决定着能源的成本。

典型应用是新型二次电池，其中铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二次电池，但是比能量都很低；另外，铅和镉都是有毒金属，对环境的污染问题严重。新型的二次电池性能优良，可循环使用，对环境的污染较小，避免了上述弊病。因此，发展高比能量、无污染的新型二次电池受到科技界和产业界的重视。

2、环境材料

人类的生产过程从材料的生产－使用－废弃的过程来看，可以说是将大量的资源提取出来，又将大量废弃物排回到自然环境的循环过程，人类在创造社会文明的同时，也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能，而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源，并造成严重的环境污染，危害人类生存的严峻事实重视不够。为了人类的生存和发展，90年代初,在可持续性发展理论和应用的推动下,国际材料界出现了一个新的领域——环境材料,在这种材料

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的研究和开发的过程中,既要追求良好的使用性能,又要深刻认识到自然资源的有限性和尽可能降低废弃物排放量,并在材料的提取、制备、使用直到废弃与再生的整个过程中都尽可能地减少对环境的影响。因而它也被称为“绿色材料”或者“生态材料”。

生态环境材料研究的主要方向有：① 减少人均材料流量，减少材料集约化程度 ；② 减少寿命周期中的环境负荷，使用生态化的生产工艺 ；③开发天然能源，使用藏量丰富的矿物和天然材料；④ 避免使用有害物质，使用“清洁”材料 ；⑤使用长寿命材料，强化再生利用，强化生物降解性；⑥修复环境，强调生态效率(性能一环境负荷比)；⑦环境负荷小的高分子合金设计；⑧可再生循环高分子材料的设计；⑨完全降解高分子材料设计；⑩高分子材料加工和使用过程中产生的有害物质无害化处理技术。

环境材料凭借其良好的性能和生态型被应用广泛。

生物降解材料是20世纪80年代后由于环境和能源之间的矛盾凸显而发展起来的一种新型高分子材料。它是指在一定条件下、一定时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的一类高分子材料。真正的生物降解高分子在有水存在的环境下，能被酶或微生物水解降解，从而使高分子主链断裂，分子量逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成二氧化碳和水

目前在生物降解材料方面研究最热、发展最快的为医用生物降解高分子材料。主要为聚乳酸(PLA)类医用高分子降解材料，因其无毒、无刺激性、强度高、易加工成型，具有优良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物体内经过酶解，最终分解成水和二氧化碳，所以广泛用于医疗方面。笔者以PLA类医用生物降解材料为例说明生物降解材料的研究进展。

充分说明了这一点。

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长寿命高分子材料的开发是未来高分子材料重要研究内容之一，通过延长高分子材料的使用寿命，从而提高资源的利用率，降低资源开发速度。目前日本在长寿命高分子材料研究方面处于领先地位，日本出兴光产公司开发了长寿命蓝光和绿光有机发光材料，此材料改进了蓝光有机发光材料的分子结构，因而得到电流发光效率为9 cd／A，半寿命为223 000 h，不仅改进了绿光有机发光材料的色纯度，而且提高了寿命。

人工制造的具有生物功能、生物活性或者与生物体相容的材料称为仿生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。已经研究开发的仿生物材料主要有生物陶瓷及其复合材料、组织工程材料和仿生智能材料等。组织工程材料是用于取代某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。仿生智能材料刚刚出现十余年，但已经发展成为生物材料领域最引人注目的研究热点之一。目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。

四、 总结

中国作为一个高速发展的发展中国家，发展是硬道理，但我们不能以牺牲环境和宝贵资源为代价，谋求经济的一时发展，现在我们必须改变经济发展模式，由粗放型向集约型社会转变，人与环境要协调发展。新能源材料和环境材料等新材料的出现和发展为我国发展方式的转变提供了一条光明的道路，新型材料将材料、环境、资源有机的整合为一个整体，将材料的使用性能同保护地球生态环境、保障生活环境及珍稀宝贵能源充分结合起来，这是对传统材料技术与工程的革新，这是对传统发展方式敲响的警钟。

总之，无论是新能源材料还是生态环境材料，必将成为未来新材料的一个重要分支，

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作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等学科的新型材料，在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用，实现社会的可持续发展，使资源和能源得到有效的利用，使我们的生产和生活环境得到有效的保护就不再是梦想。新材料代表着科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势，必将对人类社会进步起到巨大的推动作。

除了新材料外，还有其他的一些措施来保护我们的环境与资源，如，严格控制新建高耗能、高污染项目；严把土地、信贷两个闸门，提高节能环保市场准入门槛；建立高耗能、高污染行业新上项目与地方节能减排指标完成进度挂钩、与淘汰落后产能相结合的机制；组织对高耗能、高污染行业节能减排工作专项检查，清理和纠正各地在电价、地价、税费等方面对高耗能、高污染行业的优惠政策等。与此同时，作为大学生的我们也要积极投身材料、环境、能源的相关行业与公益事业中，尽自己所能，为社会贡献自己的一份力量。

自然正在向我们控诉，我们不能再破坏我们赖以生存的环境了，我们不能再无度的掠夺后代子孙的资源了，让我们行动起来，保护我们的环境、资源，还有我们的未来。