能源现状与能源结构变迁

随着人类社会的快速发展，人们对自然资源的索取日渐增多，同时对能源的依赖日益增加。能源为人类生存和生活提供了物质基础，也为社会的进步与发展提供巨大动力。

自古以来，人类社会的能源结构发生了翻天覆地的变化，人类的主要能源材料从木材到煤炭，再从煤炭到石油。但是近些年，由于化石燃料的大规模使用，其已经开始枯竭，并且伴随它的燃烧，造成了大量的废气排放，对自然环境造成了巨大的污染。所以，人类对能源的利用开始向多级能源阶段慢慢过渡。

新型能源的研究与发展

鉴于化石燃料的不可再生性和环境污染性，人类正在致力于研究清洁可再生的新型能源，例如太阳能、潮汐能、核能、氢能等。但由于各种因素的限制，有很大一部分能量没有办法直接被利用，需要通过其他方式将其转化为可直接使用的形式。

氢气作为一种具有高能量密度的燃料，被认为是最具潜力的新能源。然而，氢能作为一种二次能源，无法直接获取，所以有效地制备和储存氢能是目前氢能源发展的关键制约因素。

氢气制备方法

目前工业上，存在三种制备氢气的方法：

• 前两种主要是通过甲烷和煤炭的高温高压反应制备出氢气，但由于其高能耗和高污染的特点，不值得被广泛推行。
• 第三种则是通过电解水的方式来制备氢气，这种方式的特点是，它的反应物是水（来源广泛），产物是氢气和氧气（制备过程无污染），是最为理想制备氢气的方式。

但是，目前工业上制备氢气所需要的电压大概是1.8V - 2.0V，会造成大量的能量消耗，因此，开发低能耗的催化剂材料是电解水技术进一步发展的关键因素。

电解水技术的发展历程

电解水是通过外加直流电流，使得水分子在阴阳两极分别发生还原氧化反应，制备氢气和氧气的过程。

• 世界上第一次电解水产氢和产氧的现象发生在1789年，是由荷兰科学家Adriaan Paets van Troostwijk和Deiman发现的。
• 到后来的1800年，伏打电池被发明出来。一年后，Nicholson、Carlisle和Ritter通过伏打电池进行电解水实验，初次证明电解水的产物是氧气和氢气，并且发现电解水存在潜在的应用价值。
• 到了1833年，电解水的定量问题被总结出来，电解水开始在社会上引起了广泛的关注。所以在20世纪初期世界上已经存在了400多家电解水的工厂，当时最大产氢量可以达到10000Nm3/h。
• 1839年，William Grove和Christian Friedrich Schonbein发现氧气和氢气反应会生成水和放电的现象，当时称之为Grove“气体电池”，也就是后来大家知道的燃料电池。
• 1869年，当直流电极被Gramme发明后，电解水成为了一种非常廉价制备氢气的方式。
• 1978年，世界上第一家碱性条件下水分解产氢的工厂成立。

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