回顾人类使用能源的历史

第一組林雨農陳栢林陳子敬陳昶宏吳志杰吳佳靜吳宇耕吳侑儒葉明婷閻正剛王婉馨李依純閻正剛回顧人類使用能源的歷史化石燃料的開發和熱的利用畜力、風力、水力等自然動力的利用原子核能的發現及開發利用電的發現及開發利用火的發現和利用面臨問題目前全球能源結構：石油51.4%煤炭30.8%核能9.0%天然氣6.7%再生能源2.1%氫能源的優勢2H2+O2→2H2O產物為H2O，零污染氫的燃燒熱值高△H=286kJ/mol汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍氫能源發展待解決的問題1.如何產氫？2.氫氣的儲存目前朝利用太陽能的方向進行研究Ex:高壓鋼瓶，合金金屬儲氫、吸附儲氫產氫的方法Watersplitting化石燃料製氫生質製氫技術林雨農Watersplitting最一開始的方式-電解水H2OH2+O2Watersplitting的方法再生能源製氫-太陽能源1.提高能源供給2.環保訴求太陽光能製氫法主要方法有：(1)太陽能電池結合水電解法(2)直接光催化將水分解製氫法(3)太陽熱能分解製氫法光觸媒？當化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使化學反應的產生。EX.冷氣機的殺菌光能分解水的光觸媒受到光的照射，會生成電子及電洞電子水分子氫氣電洞半導體氧氣光電化學產氫技術PECPhotoElectroChemical光催化反應產氫技術Photocatalytic光觸媒表面Step1.Step2.Step3.Step3.e-h+ParticulatephotocatalystHvEgRecombinationH+H2O2H2OPrinciple水分解三大需求能量需求過電壓穩定性水溶液能階位置高低二氧化鈦陳子敬TiO2OccursinnatureaswellknownmineralsRutile,AnataseandBrookite.MoststableformisRutile.Allcontained6coordinatedtitanium.Theirbandgapsaresimilar.(3.0eVforRutileand3.15eVforAnatase)UnitcellofRutile:UnitcellofAnatase:Honda-FujishimaEffectDiscoveredbyAKIRAFUJIJSHIMAandKENICHIHONDAin1972.Suggestedthatwatercanbedecomposedbyvisiblelightwithoutanyexternalvoltage.TiO2+2hv2e-+2p+2p++H2O½O2+2H+2e-+H+H2-----------------------------------Overall:H2O+2hv½O2+H2Thiseffectisverysimilartothephotosynthesisprocess.DevelopmentofTiO2EfficiencyislowwhenpureTiO2isused.Overtheyears,differentmaterialshavebeenusedtodevelopTiO2.ReplacementofPtwithRhasthecocatalyst.TiO2combinewithmetaloxides(egSrO)toformmetaltanalates(SrTiO3).NiOdepositiononthemetaltanalatesimprovestheQuantumEfficiencies(QEs).RhRuRePtIrPdOsCoThetablebelowshowssomeofthephotocatalyststhathavebeendevelopedovertheyears.陳栢林簡介世界上商業用氫氣大約有96％來源依然仰賴化石燃料化石燃料製造氫氣依原料不同，大致可分為固態、液態以及氣態三種電力煤炭天然氣石油化石燃料製氫煤製氫：煤的焦化煤的汽化(1)C(s)＋H2O(g)→CO(g)＋H2(g)(2)CO(g)＋H2O(g)→CO2(g)＋H2(g)天然氣製氫：天然氣水蒸氣重整製氫CH4(g)＋2H2O(g)→CO2(g)＋4H2(g)天然氣水蒸氣重整與部分氧化法製氫CH4(g)＋0.5O2(g)→CO(g)＋2H2(g)天然氣裂解製CH4(g)→C(s)＋2H2(g)液體化石能源製氫：甲醇產氫反應CH3OH(l)＋H2O(g)→CO2(g)＋3H2(g)輕質油製氫重油部分氧化法製氫天然氣水蒸氣重整製氫(1)CH4(g)＋H2O(g)→CO(g)＋3H2(g)(2)CO(g)＋H2O(g)→CO2(g)＋H2(g)總反應：CH4(g)＋2H2O(g)→CO2(g)＋4H2(g)氫氣產率：75％甲醇蒸氣重組產氫貴金屬系鉑、鈀：優點：在於活性高、選擇性好、穩定性佳缺點：價格高昂、且易受一氧化碳毒化銅系觸媒：活性雖不如貴金屬系，但由於價格便宜，具有商業化之潛能電漿重組製氫：優點：不需使用觸媒銅系觸媒：Cu/Zn/Zr/γ-Al2O3觸煤製備方法：初濕含浸法incipientwetnessTaylorC.E.Ind.Eng.Chem.Res.2007,46,8906-8909甲醇電漿重組製氫高能量將氧化氣體變為電漿氣，利用高導熱導電性能以及富含離子、電子、自由基可使混合良好的液體或氣體燃料充分加速反應產生以氫氣與一氧化碳為主的合成氣體葉明婷生物法製氫途徑光合作用(photosynthesis)光醱酵(lightfermentation)暗醱酵(darkfermentation)30光合作用(photosynthesis)hydrogenase2H++2Fd-H2+2Fd發展歷史最久，研究最為透徹產氫效率較差需較大反應面積，不適合台灣發展31光醱酵(lightfermentation)Glucose+6H2O6CO2+12H2廢棄有機物降解，解決環境汙染可將有機物完全分解光醱酵菌中nitrogenase需高能合成氫氣太陽能轉換效率低反應器建構複雜32暗醱酵(darkfermentation)C6H12O6+2H2O2CH3COOH+4H2+2CO2C6H12O6CH3COOH+2H2+2CO2H2非完全降解，有伴隨其他產物（乙酸、乙醇etc.）操作條件要求低（常溫常壓、免日光可不分晝夜）代謝速率最快、效率最高33生物氫能國內外發展現況國際組織•歐盟Hyvolution•亞洲生質產氫聯盟（AsianBioHyLinks)國內•工業技術研究院•成功大學•逢甲大學34吳宇耕未來是氫能的時代!如何儲氫決定氫能經濟的實現!壓縮儲氫以壓縮氣體形式儲氫是目前最普遍儲氫方式，目前燃料電池車的儲存壓力大約落在25~35MPa之間。研究發展目前為了儲存足夠的能源，以滿足載客汽車所需行駛的里程數，目前已有測試壓力達到70MPa其能將效率由1.9wt％提升到3wt％氫的壓縮1.壓縮功在溫度T和壓力為P1和P2之間的等溫壓縮所需的功為W＝ATlog(P2/P1)A為一經驗壓力修正係數低壓=1、70MPa為0.82.絕熱壓縮絕熱壓縮需要更多的能量輸入，較佳的方式為多階段中高壓風冷式壓縮機，其能夠將單階段式的能量輸入減少一半。高壓氫槽安全性在乘客身邊的高壓氫槽安全性現已列入主要研究重點。增加容器的抗壓性玻璃塑鋼材料王婉馨AdvantagesDisadvantagesExamplesAdvantages以液氫儲氫具有較高的體積能量密度。常溫、常壓下液氫的密度為氣態氫的845倍845Disadvantages需要耗用許多能源。儲存成本較昂貴安全技術較複雜。BMW旗下第一款豪華氫氣動力房車－Hydrogen7多層複合金屬材質，再加上3mm的中空設計，讓儲存槽內的溫度得以經常保持在-250℃根據BMW的官方資料，這個儲存槽的保溫性能，可以讓放在裡面的雪人，得要花上17年的時間才能融化。李依純儲氫金屬之儲氫原理1.LiAlH4、NaBH4等含氫化合物、化學氫化物之氧化還原2.電化學方法3.金屬吸附氫氣體儲氫：吸附型儲氫金屬作用機制儲氫合金應用儲氫合金應用吳佳靜吳侑儒(圖片來自周里;周亞平,中國科學B輯第26卷第5期1996)PicturefrompaperpublishedinNanotechnology,Vol.17,No.15,14August2006,pp.3920-3924(2006)1.奈米碳管的碳是以不飽和的SP2軌域鍵結而成2.形成多孔性的結構3.奈米的尺度，和氫氣分子大小差不多4.被相鄰的碳原子所吸引5.毛細力可以使氫氣壓縮在孔洞中大批生產奈米碳管的技術開發、價格的壓低3.Narita和Oku等人指出BN奈米管儲存量較高，而在吸附性質方面，他們推斷有70%的氫為化學吸附，30%為物理吸附2.BN奈米管的性質優於一般的奈米碳管，BN奈米管不易氧化且不易燒毀，因此適用於高溫下，而且具有半導體的性質1.氮化硼和石墨的結構相近，特別是六邊型的氮化硼有類似石墨的層狀結構Tang,C.C.;Bando,Y.;Ding,X.X.;Qi,S.R.;Golberg,D.,J.Am.Chem.Soc.1.MoS2和TiS22.奈米管性質和BN奈米管類似3.物理吸附外，還明顯表現出化學吸附4.MoS2的晶體包含與氫作用較強的S原子以及較弱的Mo原子MetalOrganicframework過渡金屬+有機配體組裝成的結構MOF-5CavityZn4O(BDC)3(BDC1,4-benzenedicarboxylate)Cluster：[Zn4O]6+Linker：[O2C-C6H4-CO2]MetalOrganicframework材料特性1.高比表面積(2000~3000m2/g)2.低密度(0.21～0.41g/cm3)儲氫能力→77K下，儲氫能力4.5wt%→室溫下，以20Bar高壓，儲氫能力1.0wt%→P越大，吸氫能力越大78K298KMOF儲氫效能設計高孔性結構：孔洞大小和幾何形狀互穿結構鑽石型結構直徑16Å球體四次互穿MOF儲氫效能設計活性金屬中心：由小分子離去所產生增強化學吸附氫的能力輕金屬陽離子中心的應用原子量較小的主族元素：Mg2+、Al3+氫氣的分解吸附活性金屬(如鈀、鋰)和結晶型配位聚合物結合MOF儲氫效能設計改變官能基(linker)IRMOF-8IRMOF-6MOF-54倍2倍MOF發展目標與目前應用增加在室溫下的儲氫能力增加孔洞與氫氣之間的作用力金屬有機骨架材料儲氫匣，和3WPEM燃料電池連結，並推動iPodShuffle播放音樂的情形。(核能研究所)吳志杰製氫1.電漿重組產氫2.分離助效式重組產氫3.生質能重組產氫4.太陽能產氫：TiO2、Tanalates、ZirconiumOxide＊氮化物儲氫1.鋼瓶儲氫2.液態儲氫3.合金金屬儲氫4.配位氫化物儲氫5.吸附儲氫：活性碳、奈米碳管、硫化物奈米管陳昶宏產氫現今產氫仍主要是從處理天然氣中獲得利用再生能源產氫成為理想的方式(ex:太陽能風力水力…等)再生能源產氫太陽能產氫太陽能電池結合電解光催化將水分解製氫生物光化學製氫太陽熱能分解製氫缺點:價格過高與應用之廣泛性差儲氫物理儲氫體積和安全性化學儲氫材料的環境友善程度和效率化學儲氫:新材料的開發TheJournalofPhysicalChemistry