现代化学进展与中学化学.pptx

1尊敬的各位朋友：尊敬的各位朋友： 20222022年年6 6月月2525日日大大 家家 好好 ！化学与材料科学学院现代化学进展与中学化学现代化学进展与中学化学 现代化学现代化学 化学与新能源化学与新能源 化学与新材料化学与新材料 化学与环境保护化学与环境保护 化学与食品安全化学与食品安全 化学与人体健康化学与人体健康社会发展不断对化学学科提出新的需求，面对有限的资源，社会发展不断对化学学科提出新的需求，面对有限的资源，能源、环境、健康等可持续发展问题，如何从化学角度为新材能源、环境、健康等可持续发展问题，如何从化学角度为新材料、新能源的研究，信息、医药、环境等领域的发展提供更为料、新能源的研究，信息、医药、环境等领域的发展提供更为坚实的物质基础和技术保障。坚实的物质基础和技术保障。化学化学是在原子、分子及分子以上层次水平研究物质的组成、是在原子、分子及分子以上层次水平研究物质的组成、结构、性能以及相互转化的科学结构、性能以及相互转化的科学。是是一门历史悠久、富有活力，一门历史悠久、富有活力，与社会、国民经济各领域相关、密不可分的与社会、国民经济各领域相关、密不可分的基础学科基础学科和承上启和承上启下、渗透于各种新兴、交叉学科的下、渗透于各种新兴、交叉学科的中心科学中心科学。在创造奇妙的新在创造奇妙的新物质方面起着核心作用。物质方面起着核心作用。1. 现代化学现代化学化学化学的发展已经到了从定性到定量、从宏观到微观、从的发展已经到了从定性到定量、从宏观到微观、从静态到动态、从描述到推理、从既分化到又综合的阶段。静态到动态、从描述到推理、从既分化到又综合的阶段。当前是当前是实验实验与与理论理论并重，发展的主要动向表现为：（并重，发展的主要动向表现为：（1 1）深）深化对结构与性能关系的认识，化对结构与性能关系的认识，以所需性能为导向，设计、以所需性能为导向，设计、合成与组装目标化合物体系合成与组装目标化合物体系；（；（2 2）深入研究化学反应机理，）深入研究化学反应机理，特别是化学反应的微观过程，特别是化学反应的微观过程，实现对化学微观过程的人工实现对化学微观过程的人工控制，控制，发展新型催化剂调控反应，进而设计绿色的化学过发展新型催化剂调控反应，进而设计绿色的化学过程程；（；（3 3）发展合成、分析、表征、测试的）发展合成、分析、表征、测试的实验和理论新方实验和理论新方法法，并依靠计算机技术使各种信息更加灵敏可靠；（，并依靠计算机技术使各种信息更加灵敏可靠；（4 4）加）加强化学与物理、材料、生命、信息、能源、环境等科学的强化学与物理、材料、生命、信息、能源、环境等科学的交叉与合作，促进交叉与合作，促进相互渗透相互渗透，共同发展。，共同发展。第 3 页 热力学有三大定律，其中热力学第一定律又称为热力学有三大定律，其中热力学第一定律又称为能量守恒定律。能量守恒定律。热力学将能量分为热热力学将能量分为热Q Q、功、功W W、热、热力学能力学能U(U(内能内能) )三种形式，当系统发生状态变化三种形式，当系统发生状态变化时，三种形式的能量间将进行转化，但总能量保时，三种形式的能量间将进行转化，但总能量保持不变持不变。问题问题1 1：怎样理解：怎样理解Q Q、W W、U U三个物理量？三个物理量？问题问题2 2：怎样理解热力学第一定律在封闭系统循环：怎样理解热力学第一定律在封闭系统循环过程和封闭系统绝热过程中的含义？过程和封闭系统绝热过程中的含义？ 有机液晶材料目前已用于显示器件中。所谓有机液晶材料目前已用于显示器件中。所谓“液液晶晶”是指一些物质在一定条件下，既具有液体的流是指一些物质在一定条件下，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些特性。液晶材料一般为有动性，又具有晶体的某些特性。液晶材料一般为有机化合物，通过化学方法合成。科研工作者在合成机化合物，通过化学方法合成。科研工作者在合成液晶化合物后，需要确定其分子结构，并常用液晶化合物后，需要确定其分子结构，并常用“X-射线衍射仪射线衍射仪”来确认其是否具有来确认其是否具有“晶体晶体”的特性。的特性。问题问题1：确定有机化合物分子结构的现代仪器方法：确定有机化合物分子结构的现代仪器方法有哪些？各有何作用？有哪些？各有何作用？问题问题2： “X-射线衍射仪射线衍射仪”可以确定液晶的什么晶可以确定液晶的什么晶体性质参数？体性质参数？（1 1）紫外光谱：）紫外光谱：判断分子中有无共轭体系判断分子中有无共轭体系（2 2）红外光谱：）红外光谱：主要用于确定分子中的官能团主要用于确定分子中的官能团（3 3）核磁共振：）核磁共振：主要用于确定分子中是否有主要用于确定分子中是否有H H原子、原子、C C原子及原子及F F、N N、P P等原子，并确定其原子个数比例等原子，并确定其原子个数比例（4 4）质谱：）质谱：主要用于确定化合物的分子量、分子式主要用于确定化合物的分子量、分子式“X-X-射线衍射仪射线衍射仪” 测定晶体的晶格常数（晶面距离）测定晶体的晶格常数（晶面距离）光学显微成像技术光学显微成像技术的最高分辨率一直无法超过光波波长的一半，的最高分辨率一直无法超过光波波长的一半，但是借助但是借助荧光分子荧光分子的帮助，这三位科学家开创性的贡献的帮助，这三位科学家开创性的贡献使得光使得光学显微成像技术的极限拓展到了纳米尺度学显微成像技术的极限拓展到了纳米尺度。2. 化学与新能源化学与新能源 能源是人类生成与发展的重要物质基础，能源是人类生成与发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力是从事各种经济活动的原动力化石燃料：煤、石油、天然气；化石燃料：煤、石油、天然气；目前全世界目前全世界使用的能源使用的能源90% 90% 取自取自化石燃料化石燃料绿色能源是利用现代技术开发的无污染的新绿色能源是利用现代技术开发的无污染的新能源以及利用先进的设备与控制技术开发城市能源以及利用先进的设备与控制技术开发城市垃圾、淤泥等废弃物中所蕴藏的能源（太阳能、垃圾、淤泥等废弃物中所蕴藏的能源（太阳能、生物质能、风能、氢能等）生物质能、风能、氢能等）煤炭煤炭 当代工业的粮食当代工业的粮食。含。含C C、H H、O O、N N、S S，C C是燃烧过是燃烧过程产生热量的重要程产生热量的重要元素（元素（60%）石油石油当代工业的血液当代工业的血液。主要成分烃类有机物，乙烯是重。主要成分烃类有机物，乙烯是重要的石油化工原料。石油分馏后得到要的石油化工原料。石油分馏后得到C1 C4的石油气，的石油气，C5 C11的汽油，的汽油， C11 C16的煤油的煤油C15 C18的柴油的柴油。汽油性能的表征汽油性能的表征辛烷值，辛烷值，是汽油抗暴性能的间接量度。提高汽油辛烷值的方是汽油抗暴性能的间接量度。提高汽油辛烷值的方法（法（1）铂铼重整提高异辛烷的含量，（）铂铼重整提高异辛烷的含量，（2）加少量的四乙基铅）加少量的四乙基铅Pb(C2H5)2。目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚MTBE，CH3O(CH3)3、三乙基丁醚、三戊基甲、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰醚、羰基锰MMT、醇类等，其中以、醇类等，其中以MTBE用量用量最大（最大（18%）居民用的石油液化气的主要成分是居民用的石油液化气的主要成分是丁烷丁烷。天然气天然气( (主要成分主要成分CHCH4 4)最清洁的化学最清洁的化学能源（能源（5%）可燃冰可燃冰未来的新能源未来的新能源生物质能生物质能( (太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量，太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量，生物体通过光合作用生成的有机物以及生物体排泄和代谢产生物体通过光合作用生成的有机物以及生物体排泄和代谢产生的有机物称为生物质生的有机物称为生物质)前景广阔的绿色前景广阔的绿色能源能源页岩气页岩气20102010年开始勘年开始勘探开发页岩气探开发页岩气资源，开发技资源，开发技术全部国产化术全部国产化CO+H2乙醇CH3CH2OH甲醇CH3OH甲烷CH4二甲醚CH3OCH3合成汽油C5 C11Pt/Rh/SiO2Cu-Zn-ONiCu, ZnCo, Ni, Fe合成气合成气:煤化工煤化工过程的基础原料过程的基础原料天然气天然气煤炭煤炭含碳有机物含碳有机物合成气合成气CO+nH2甲醇甲醇二甲醚二甲醚二甲醚二甲醚低碳低碳烯烃烯烃CnH2n甲烷氧化偶联甲烷氧化偶联4123低碳烯烃的生产途径低碳烯烃的生产途径1.甲醇制低碳烯烃甲醇制低碳烯烃2.二甲醚制低碳烯烃二甲醚制低碳烯烃3.合成气制低碳烯烃合成气制低碳烯烃4.天然气制低碳烯烃天然气制低碳烯烃烃类裂解烃类裂解指乙烷、石脑油、瓦斯油等石油烃类化工原料在高指乙烷、石脑油、瓦斯油等石油烃类化工原料在高温温(750 以上以上)作用下分子发生断裂、作用下分子发生断裂、 脱氢、聚合、缩合等反脱氢、聚合、缩合等反应，主要生成低分子烷烃、烯烃、炔烃、芳烃及少量大分子产应，主要生成低分子烷烃、烯烃、炔烃、芳烃及少量大分子产物的化学过程。烃类裂解的主要产物是乙烯，同时可得丙烯、物的化学过程。烃类裂解的主要产物是乙烯，同时可得丙烯、丁二烯和苯、甲苯、二甲苯等产品，是石油化工的基础丁二烯和苯、甲苯、二甲苯等产品，是石油化工的基础。“可燃冰可燃冰”的主要成分是甲烷与水分子，的主要成分是甲烷与水分子，学名为学名为“天然气水合天然气水合物物”，又称，又称“笼形包合物笼形包合物”，结构式，结构式为：为：CHCH4 4HH2 2O O。燃烧。燃烧产生的能量产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气产生的多得多比同等条件下煤、石油、天然气产生的多得多，且，且在在燃烧几乎燃烧几乎不产不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。 2010 2010年年，中国，中国南海北部神狐海域南海北部神狐海域发现发现可可燃冰燃冰矿体矿体 ，矿区，矿区总面积总面积约约2222平方公里平方公里，预测，预测储量储量约约194194亿亿立方米；立方米；20092009年，中国年，中国青海省发青海省发现巨大储量可燃冰现巨大储量可燃冰, ,预测储量预测储量达到达到350350亿吨油当量亿吨油当量。“可燃冰可燃冰”和石油、天然气相比，不易开采和运输，目前尚未成和石油、天然气相比，不易开采和运输，目前尚未成熟的勘探和开发技术方法。熟的勘探和开发技术方法。开采会带来严重的生态问题；开采会带来严重的生态问题；开采中甲开采中甲烷大量泄漏，造成的温室效应将比二氧化碳更加严重（导致全球气烷大量泄漏，造成的温室效应将比二氧化碳更加严重（导致全球气候变暖，甲烷起的作用比二氧化碳大候变暖，甲烷起的作用比二氧化碳大1020倍倍）。）。温室气体温室气体：大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的气体，的气体，H2O、CO2、N2O、CH4和和O3等。等。 按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料储量有限的化石燃料人类的出路何在？人类的出路何在？能源危机与环境问题：能源危机与环境问题：化石的有限性与人类需求的无化石的有限性与人类需求的无限性；化石的使用给地球造成巨大的生态灾难，限性；化石的使用给地球造成巨大的生态灾难，温室温室效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！效应、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！中间是一个汉字中间是一个汉字“节节”，代表，代表“节约节约”；“节节”的的“横横”和外面和外面的圆圈组成了一个大大的字母的圆圈组成了一个大大的字母“e”，代表，代表能源能源（能源的英文单词（能源的英文单词energy的第一个字母）。整体图案为蓝色，象征着人类通过节能活的第一个字母）。整体图案为蓝色，象征着人类通过节能活动还天空和海洋于蓝色。动还天空和海洋于蓝色。中国节能标志中国节能标志新能源新能源太阳能太阳能 水能水能 风能风能 氢能氢能 核能核能 潮汐能潮汐能 地热能地热能 生物质能生物质能太阳能（太阳能（太阳辐射能）太阳辐射能）能源之母，能源之母，是太阳是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。 太阳能的直接利用太阳能的直接利用光电转换光电转换（把太阳能直接转换成电能）（把太阳能直接转换成电能）；光热转换光热转换（红外线的利用，红外线的利用，把太阳能直接转变成热能）把太阳能直接转变成热能）；紫外紫外线杀菌（线杀菌（波长为波长为300 nm的紫外光的光子具有的能量约为的紫外光的光子具有的能量约为399 kJ/mol，比细菌的蛋白质分子中重要的化学键比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347 kJ/mol）、）、C-N（305 kJ/mol）和）和C-S（259 kJ/mol）键的键能大，足以使这些化学）键的键能大，足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌之功效）键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌之功效）太阳能电池以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴太阳能电池以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在对，在PN结上产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实结上产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。现光电转换。 按照所用材料的不同：按照所用材料的不同： 硅太阳能电池硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！） 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素） 功能高分子材料制备的大阳能电池功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短） 染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池DSSCs（镀有透明导电膜的玻镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、电极、电解质璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、电极、电解质等）。等）。 太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向 材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发 储电及并网发电结合储电及并网发电结合 与建筑物结合，架设太阳能电池组件与建筑物结合，架设太阳能电池组件 集成在建筑材料上，曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃集成在建筑材料上，曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃加利福尼亚加利福尼亚太阳能发电太阳能发电站中的太阳能反射装置站中的太阳能反射装置 太太阳能光伏发电系统主要由阳能光伏发电系统主要由太太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备测量设备等组成。等组成。 太阳能热的利用（低温热利用、中温热利用和高温热利太阳能热的利用（低温热利用、中温热利用和高温热利用）。低温热利用：用）。低温热利用：中温热利用：中温热利用：高温热利用：高温热利用：魔鬼与天使魔鬼与天使核能（核能（核裂变能、核聚变能）核裂变能、核聚变能） 要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件: :第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须可控。实现可控链式反应第二，链式反应必须可控。实现可控链式反应的装置称为反应堆。的装置称为反应堆。 核裂变核裂变链式反应链式反应中子中子鈾鈾-235 -235 核分裂核分裂（239239PuPu）逃逃逸逸 氘原子被加热到上亿度，电氘原子被加热到上亿度，电子脱离原子核的束缚，成为一子脱离原子核的束缚，成为一团炽热的气体（等离子气体）；团炽热的气体（等离子气体）；如何容纳这么热的等离子体？如何容纳这么热的等离子体？强大的强大的磁场磁场可牢牢地束缚住炽可牢牢地束缚住炽热的等离子体？热的等离子体？ 核裂变中核裂变中放射性放射性核废料的处理？核废料的处理？化学电池化学电池实用的能源实用的能源 化学化学电池：化学能电池：化学能电能。电能。分为分为一次一次电池电池、二次电池、二次电池、燃料电池燃料电池等。等。 商业化锂离子二次电商业化锂离子二次电池的正极材料主要是池的正极材料主要是LiCoO2，负极材料主要为，负极材料主要为C，充电时，充电时发生如下反应（放电时发生如下反应的逆反应）发生如下反应（放电时发生如下反应的逆反应） 正极：正极：LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极：负极：C + xLi+ + xe- CLix 电池反应：电池反应：LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + CLix 镍氢镍氢(Ni-H)电池电池正极正极(Ni电极电极)：NiO(OH) + H2O + e- =Ni(OH)2+OH-负极负极(氢电极氢电极)： 1/2H2 + OH- - e-=H2O电池反应：电池反应： 1/2H2 + NiO(OH) = Ni(OH)2电解质：电解质：KOH 电池内氢气的压力：电池内氢气的压力：0.34 MPa 镍镉镍镉(Ni-Cd)电池电池正极正极(Ni电极电极)：2NiO(OH) +2H2O +2e- =2Ni(OH)2+2OH-负极负极(Cd电极电极)： Cd + 2OH- - 2e-=Cd(OH)2电池反应：电池反应： Cd + 2NiO(OH) = Cd(OH)2 +2Ni(OH)2 燃料电池燃料电池Fuel Cell ， FC： 燃料电池的优点：燃料电池的优点：能量转换效率高能量转换效率高( (节省燃料资源节省燃料资源) )；污染小、噪声低；高度的可靠性污染小、噪声低；高度的可靠性氢能社会构想氢能社会构想终端用户终端用户再生能再生能源制氢源制氢天然气制氢天然气制氢燃料电池工厂燃料电池工厂CO2处理处理加氢站加氢站电厂电厂环境友好环境友好氢能源氢能源 氢：储量大，分布广，清洁无污染。氢：储量大，分布广，清洁无污染。 氢能开发大势所趋：氢能开发大势所趋：高效性高效性 和清洁性和清洁性（燃烧（燃烧1 kg氢气产氢气产生的热量相当于生的热量相当于3 kg汽油或汽油或4.5 kg焦炭完全燃烧所产生的焦炭完全燃烧所产生的热量；燃烧产物是水、无污染）。热量；燃烧产物是水、无污染）。 氢气的制备与储存：氢气的制备与储存：氢的储运是实际应用的关键，储氢氢的储运是实际应用的关键，储氢材料是氢储运的关注热点。材料是氢储运的关注热点。环境友好环境友好氢能源氢能源氢气的氢气的热化学工艺热化学工艺制备制备 将碳水化合物将碳水化合物( (煤、石油、天然气、生物质等煤、石油、天然气、生物质等) ) 输入高输入高温化学反应器，生成由温化学反应器，生成由H2、CO 、CO2和和 CH4等组成的合等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。 甲烷重整甲烷重整制氢：制氢：CH4 + H2O=3H2 + CO（吸热反应，温度大约（吸热反应，温度大约700850，压力为，压力为3105 Pa2.5 105Pa）。）。反应产物合成反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器气被输入到下一级水气置换反应器 ，经过水气置换反应，将，经过水气置换反应，将CO转转化为化为H2，提高氢的产量。，提高氢的产量。CO + H2O = H2 + CO2 。重整制氢的能量。重整制氢的能量转换效率可达到转换效率可达到75 %80 %，经济有效，如果将余热回收利用，经济有效，如果将余热回收利用，效率可达效率可达85%以上。以上。 甲烷氧化甲烷氧化制氢：制氢：2CH4 + O2=4H2 +2CO。加入催化剂，系统转化加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水气置换反应，以提高气置换反应，以提高H2 的产量。最后再经过分离提纯，得到可以的产量。最后再经过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。用于交通工具的燃料。 利用煤和生物质等气化制氢：将这些物质在高温下裂解成合成利用煤和生物质等气化制氢：将这些物质在高温下裂解成合成气后进行水气转换以提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。气后进行水气转换以提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。氢气的氢气的电解水电解水制备制备对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在已经发展了碱性、质子交换膜、固体氧化物等多种电解槽。已经发展了碱性、质子交换膜、固体氧化物等多种电解槽。用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的具有十分诱人前景的用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的具有十分诱人前景的一条途径。一条途径。人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一条途径。利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取条途径。利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。氢气。拆开水分子所需要的拆开水分子所需要的能量足以摧毁任何生能量足以摧毁任何生物分子物分子 fH(H2O液液)-285.8 kJ/mol； fH( H2O气气)-241.8 kJ/mol 氢气的化学储存氢气的化学储存储氢材料储氢材料 金属金属储储氢、多孔氢、多孔吸附吸附储氢、有机液储氢、有机液态储氢材料态储氢材料 体积密度，储体积密度，储氢质量分数，充放氢的可逆性、速氢质量分数，充放氢的可逆性、速率及可循环使用寿命。率及可循环使用寿命。 金属金属储氢材料储氢材料由由碱金属碱金属(Li，Na，K)或或碱土金属碱土金属(Mg，Ca) 与与第第A元素元素(B，A1)或非金属元素形成或非金属元素形成 的配位氢化物。的配位氢化物。NH3BH3、LiBH4、Mg(BH4)2等。等。以以LaNi 5为代表的稀土系为代表的稀土系储氢合金是应用性能最好的一类；储氢合金是应用性能最好的一类；AB2型合金是一类非常具型合金是一类非常具有潜在研究价值的储氢材料；镁系储氢材料由于储氢量高有潜在研究价值的储氢材料；镁系储氢材料由于储氢量高(理论值理论值7.6)、资源丰富以及成本低廉被认为最有前景的、资源丰富以及成本低廉被认为最有前景的储氢材料之一；储氢材料之一；FeTi合金储氢能力好，合金储氢能力好，很接近工业应用。很接近工业应用。120300 19.6 wt% H2；不足不足: NH3BH3制备成本偏高制备成本偏高 纳米结构储氢纳米结构储氢B99N99；C186 近年来，大量的研究集中在纳米碳近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达管的储氢容量高，理论上可达10%10%。3. 化学与新材料化学与新材料 Chemistry and Materials Science ：科学与社会科学：科学与社会科学领域的前沿研究十大领域之一领域的前沿研究十大领域之一 化学与材料科学使明天的生活更美好化学与材料科学使明天的生活更美好 ！生活中的物品均是由各种各样的材料制作而成生活中的物品均是由各种各样的材料制作而成 塑料制品、纤维制品塑料制品、纤维制品有机高分子材料有机高分子材料 陶瓷制品陶瓷制品无机非金属材料无机非金属材料 金属制品金属制品金属材料金属材料 第第一代一代阴极射线管阴极射线管CRT 第二第二代代黑白液晶液晶显示器黑白液晶液晶显示器LCD 第第三代三代薄膜晶体管液晶（薄膜晶体管液晶（TFT-LCD） 彩色彩色液晶显示器和等离子管（液晶显示器和等离子管（PDP） 第四第四代代有机发光二极管（有机发光二极管（OLEDs） 第五代第五代三维显示器（三维显示器（3D）20122012年的年的德雷珀德雷珀奖授予乔治奖授予乔治HeilmeierHeilmeier、沃尔夫冈、沃尔夫冈赫尔赫尔弗里希弗里希HelfrichHelfrich、马丁、马丁SchadtSchadt、彼得彼得布罗迪布罗迪BrodyBrody“开发的开发的数十亿消费者和专业设备中使数十亿消费者和专业设备中使用的液晶显示器（用的液晶显示器（LCDLCD）” 超耐热合金：超耐热合金：在高于在高于700 700 的温度下工作的合金，要求高温的温度下工作的合金，要求高温下有良好的抗腐蚀性，高的强度和韧性下有良好的抗腐蚀性，高的强度和韧性 超低温合金：超低温合金：接近绝对零度接近绝对零度(-273 )(-273 )下工作的合金，要求下工作的合金，要求防止低温脆性，热稳定性（防止低温脆性，热稳定性（19121912年泰坦尼克轮船的钢材硫、磷年泰坦尼克轮船的钢材硫、磷含量高，与冰山碰撞发生脆性断裂）含量高，与冰山碰撞发生脆性断裂） 超塑性合金：超塑性合金：在适当温度和较小的应变速率在适当温度和较小的应变速率( (拉伸速率拉伸速率10 10 mm/s)mm/s)下，金属产生下，金属产生300%300%以上的延伸率，要求成型加工温度低、以上的延伸率，要求成型加工温度低、成型性和耐腐蚀性好成型性和耐腐蚀性好新型金属材料新型金属材料无机非金属材料无机非金属材料 以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硼化物以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料 优良性质：优良性质：耐高温、硬度高、抗腐蚀、耐磨损，有介电、耐高温、硬度高、抗腐蚀、耐磨损，有介电、压电、铁电、光学、导电性、磁性及其功能转化特性压电、铁电、光学、导电性、磁性及其功能转化特性 应用：应用：日常生活领域，冶金、化工、交通、建筑、能源、日常生活领域，冶金、化工、交通、建筑、能源、信息等经济领域，高科技领域信息等经济领域，高科技领域功能陶瓷材料功能陶瓷材料具有电、光、磁、弹性及部分化学功能的无机固体材料具有电、光、磁、弹性及部分化学功能的无机固体材料 铁电压电铁电压电陶瓷：陶瓷：(Pb)BaTiO3陶瓷、钛镐酸铅陶瓷、钛镐酸铅PZT陶瓷；铌陶瓷；铌酸盐无铅陶瓷。传感器、点火元件等（压电效应）；摄像管、酸盐无铅陶瓷。传感器、点火元件等（压电效应）；摄像管、热成像设备等（热释效应）；光开关、激光调制器、图像存热成像设备等（热释效应）；光开关、激光调制器、图像存储与显示仪器等（电光效应）储与显示仪器等（电光效应） 半导体陶瓷：半导体陶瓷：PTC(钛酸钡系钛酸钡系)，应用于电饭煲、电吹风及，应用于电饭煲、电吹风及医疗器械等；医疗器械等；ZrO2-MgO系，用于湿度传感器、微波炉等；系，用于湿度传感器、微波炉等；钛酸镉系，气体传感器材料等钛酸镉系，气体传感器材料等 有机高分子材料有机高分子材料由分子量较高的化合物构成的材料由分子量较高的化合物构成的材料橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂、高分子基复合材料橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂、高分子基复合材料 橡胶：橡胶：自然界含胶植物中制取的高弹性物质自然界含胶植物中制取的高弹性物质(胶乳胶乳)经凝聚、经凝聚、洗涤、成型、干燥后制得；合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡洗涤、成型、干燥后制得；合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶胶、丁基橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶 塑料：塑料：利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，分利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，分为通用塑料为通用塑料(日常生活用品、包装材料、一般零件日常生活用品、包装材料、一般零件)、工程塑料、工程塑料、特种塑料。塑料加工为塑料制品的方法有压塑特种塑料。塑料加工为塑料制品的方法有压塑(磨压成型磨压成型)、挤、挤塑塑(挤出成型挤出成型)、注塑、注塑(注射成型注射成型)、吹塑、吹塑(中空成型中空成型) 新材料的类型新材料的类型新材料新材料新型金属材料新型金属材料合金、稀有金属合金、稀有金属新型无机非金属材料新型无机非金属材料工业陶瓷、光导纤维工业陶瓷、光导纤维半导体材料半导体材料纳米材料纳米材料光电子材料光电子材料复合材料复合材料高分子合成材料高分子合成材料合成橡胶、塑料合成橡胶、塑料化学纤维化学纤维新材料的特点新材料的特点 新材料：新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能新材料：新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能的材料，是的材料，是多学科相互交叉和渗透的产物。多学科相互交叉和渗透的产物。 知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代快；品种式样变化多；合成、制备与许多极端条件技术相关；快；品种式样变化多；合成、制备与许多极端条件技术相关；表现出综合性和复杂性；需要现代精密仪器和装置来表征。表现出综合性和复杂性；需要现代精密仪器和装置来表征。4. 化学与环境保护化学与环境保护绿色化学绿色化学环境问题危害环境问题危害严重危害严重危害人类的生人类的生存和发展存和发展加剧自然灾加剧自然灾害的发生害的发生危害人们的危害人们的生命和安全生命和安全制约发展制约发展加剧贫困加剧贫困环境恶化环境恶化大气污染大气污染 汽车尾气、工业生产污染。主要来自燃料的不完全燃烧，主汽车尾气、工业生产污染。主要来自燃料的不完全燃烧，主要污染物要污染物碳氧化合物碳氧化合物、硫化物硫化物、氮氧化物氮氧化物、碳氢化合物碳氢化合物、Pb等等重金属重金属，黑烟、醛类等，进入大气后导致形成光化学烟雾，黑烟、醛类等，进入大气后导致形成光化学烟雾，对大气的质量有很大影响。对大气的质量有很大影响。已成为世界性的问题已成为世界性的问题。 室内空气污染。生物污染室内空气污染。生物污染(细菌、真菌、尘螨等细菌、真菌、尘螨等)，化学污染，化学污染(HCHO、CO、SO2、挥发性有机物等、挥发性有机物等)，物理污染，物理污染(氮电磁辐氮电磁辐射、噪声、光线等射、噪声、光线等)，放射性污染，放射性污染(装饰材料中的放射性元素装饰材料中的放射性元素)。 酸性降水。是通过降雨、雪、雾等将大气中的酸性物质迁移酸性降水。是通过降雨、雪、雾等将大气中的酸性物质迁移到地面。到地面。pH值小于值小于5.6的酸雨（的酸雨（H2SO4和和HNO3），），形成酸雨形成酸雨的主要起始物质为的主要起始物质为SO2和和NOx。 水污染问题的治理已成为我国环境保护难点之一。工业废水、水污染问题的治理已成为我国环境保护难点之一。工业废水、生活废水等。目前及今后相当长一段时间，垃圾填埋仍是我国生活废水等。目前及今后相当长一段时间，垃圾填埋仍是我国生活垃圾处理的主要方式。生活垃圾处理的主要方式。垃圾渗滤液垃圾渗滤液是垃圾填埋过程中产生是垃圾填埋过程中产生的二次污染物，即使是垃圾焚烧，垃圾渗滤液的产生不可避免。的二次污染物，即使是垃圾焚烧，垃圾渗滤液的产生不可避免。“特种废水处理特种废水处理”四川省高校重点实验室四川省高校重点实验室水污染水污染垃圾渗滤液的垃圾渗滤液的膜滤处理过程膜滤处理过程膜滤浓缩液膜滤浓缩液 水质特点水质特点（1 1）有机物浓度和盐含量相对较高，可生物降解性差，主要成份为腐）有机物浓度和盐含量相对较高，可生物降解性差，主要成份为腐殖质类物质，呈棕黑色。殖质类物质，呈棕黑色。（2 2）TDSTDS在在200002000060000 mg/L60000 mg/L之间，之间，CODCOD通常在通常在100010005000 mg/L5000 mg/L之间，氨氮之间，氨氮浓度在浓度在1001001000 mg/L1000 mg/L，电导率为，电导率为400004000050000 s/cm50000 s/cm。B/CB/C通常通常0.10.1。目前常用的处理方法目前常用的处理方法回灌到垃圾填埋场回灌到垃圾填埋场 问题问题（1 1）垃圾填埋场均不同程度出现了污染物的积累，渗滤液电导率升）垃圾填埋场均不同程度出现了污染物的积累，渗滤液电导率升高，膜产水率下降，甚至出现电导率的增高导致膜过滤失效的问题。高，膜产水率下降，甚至出现电导率的增高导致膜过滤失效的问题。（2 2）是很多公司当前在垃圾渗滤液处理工程中最需解决的问题。）是很多公司当前在垃圾渗滤液处理工程中最需解决的问题。钒钛生产企业产生的废水钒钛生产企业产生的废水土壤污染土壤污染 农化品的高投入成为土壤复合污染的主要来源。农化品的高投入成为土壤复合污染的主要来源。以以高投入、高投入、高产出、高污染为特征的现代农业造成食品安全危机。高产出、高污染为特征的现代农业造成食品安全危机。农药农药薄膜薄膜化肥化肥土壤复合土壤复合污染污染农业面源污染农业面源污染农业点源污染农业点源污染重金属、农残、持久性有机物重金属、农残、持久性有机物食品药物质量安全收到严重威胁食品药物质量安全收到严重威胁作物富集作物富集大量大量N肥形成肥形成NOx对大气污染对大气污染大量大量N、P冲刷于江河，对地表冲刷于江河，对地表水污染，富营养化等水污染，富营养化等大量化肥施用使得种养业的废弃大量化肥施用使得种养业的废弃物难于回归农田生态系统物难于回归农田生态系统农业畜禽养殖废弃物污染治理与资源化利用农业畜禽养殖废弃物污染治理与资源化利用牛粪的产生牛粪的产生 大量的畜禽粪便污染环境大量的畜禽粪便污染环境 农业畜禽养殖废弃物污染治理与资源化利用农业畜禽养殖废弃物污染治理与资源化利用 以以多功能有机肥为多功能有机肥为“链节点链节点”，构建现代生态农业，构建现代生态农业产业，产业，实现物质、能量科学有序流动，提高物质循环利用率，减实现物质、能量科学有序流动，提高物质循环利用率，减少化肥的使用量，增强少化肥的使用量，增强“土壤作物土壤作物”生态系统稳定性，生态系统稳定性，减少农药使用的种类和数量，从源头上遏制土壤的复合污减少农药使用的种类和数量，从源头上遏制土壤的复合污染，使社会、环境、经济三效益最大化。染，使社会、环境、经济三效益最大化。种植（生产者）种植（生产者）秸秆秸秆生物质产业生物质产业饲料饲料高效有机肥高效有机肥（消解者）（消解者）养殖养殖（消费者（消费者）垃圾垃圾“农田生态服务能力农田生态服务能力”四川省高校工程研究中心四川省高校工程研究中心5. 化学与食品安全化学与食品安全 食品安全指食品中食品安全指食品中不应含有不应含有可能可能损害或威胁人体健康的损害或威胁人体健康的有毒、有害物有毒、有害物质或因素质或因素，从而导致消费者急性或慢，从而导致消费者急性或慢性毒害或感染性疾病，或产生危及消性毒害或感染性疾病，或产生危及消费者及其后代健康的隐患。费者及其后代健康的隐患。食品的主要化学成分食品的主要化学成分 食品：食品：可食的、含有易消化营养素的物质可食的、含有易消化营养素的物质 营养素：营养素：能被人体吸收后产生热量、促进发育、修复组能被人体吸收后产生热量、促进发育、修复组织的物质。织的物质。 食品中的化学成分：食品中的化学成分：水、脂肪、蛋白质、糖、无机盐、水、脂肪、蛋白质、糖、无机盐、维生素维生素食品添加剂与食品安全食品添加剂与食品安全 生活之需，生命有关生活之需，生命有关 动植物或微生物提取动植物或微生物提取天然添加剂；经天然添加剂；经氧化、还原、缩合、聚氧化、还原、缩合、聚合等化学反应合成的合等化学反应合成的合成添加剂合成添加剂 我国食品卫生法的规定：我国食品卫生法的规定：为改善为改善食品品质食品品质和和色、香、味色、香、味以及以及防腐抗氧化变质防腐抗氧化变质和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或天然物质。天然物质。我国的食品添加剂有我国的食品添加剂有22类类2000多种，多种，防腐剂防腐剂 ；抗氧；抗氧化剂；漂白剂；化剂；漂白剂；酸味剂酸味剂；甜味剂甜味剂；着色剂（色素）着色剂（色素）；增味剂增味剂；香料香料；发色剂发色剂；凝固剂；疏松剂；增稠剂；消泡剂；乳化剂；凝固剂；疏松剂；增稠剂；消泡剂；乳化剂；品质改