能源現狀與能源結構變遷

隨著人類社會的快速發展，人們對自然資源的索取日漸增多，同時對能源的依賴日益增加。能源為人類生存和生活提供了物質基礎，也為社會的進步與發展提供巨大動力。

自古以來，人類社會的能源結構發生了翻天覆地的變化，人類的主要能源材料從木材到煤炭，再從煤炭到石油。但是近些年，由于化石燃料的大規模使用，其已經開始枯竭，并且伴隨它的燃燒，造成了大量的廢氣排放，對自然環境造成了巨大的污染。所以，人類對能源的利用開始向多級能源階段慢慢過渡。

新型能源的研究與發展

鑒于化石燃料的不可再生性和環境污染性，人類正在致力于研究清潔可再生的新型能源，例如太陽能、潮汐能、核能、氫能等。但由于各種因素的限制，有很大一部分能量沒有辦法直接被利用，需要通過其他方式將其轉化為可直接使用的形式。

氫氣作為一種具有高能量密度的燃料，被認為是最具潛力的新能源。然而，氫能作為一種二次能源，無法直接獲取，所以有效地制備和儲存氫能是目前氫能源發展的關鍵制約因素。

氫氣制備方法

目前工業上，存在三種制備氫氣的方法：

• 前兩種主要是通過甲烷和煤炭的高溫高壓反應制備出氫氣，但由于其高能耗和高污染的特點，不值得被廣泛推行。
• 第三種則是通過電解水的方式來制備氫氣，這種方式的特點是，它的反應物是水（來源廣泛），產物是氫氣和氧氣（制備過程無污染），是最為理想制備氫氣的方式。

但是，目前工業上制備氫氣所需要的電壓大概是1.8V - 2.0V，會造成大量的能量消耗，因此，開發低能耗的催化劑材料是電解水技術進一步發展的關鍵因素。

電解水技術的發展歷程

電解水是通過外加直流電流，使得水分子在陰陽兩極分別發生還原氧化反應，制備氫氣和氧氣的過程。

• 世界上第一次電解水產氫和產氧的現象發生在1789年，是由荷蘭科學家Adriaan Paets van Troostwijk和Deiman發現的。
• 到后來的1800年，伏打電池被發明出來。一年后，Nicholson、Carlisle和Ritter通過伏打電池進行電解水實驗，初次證明電解水的產物是氧氣和氫氣，并且發現電解水存在潛在的應用價值。
• 到了1833年，電解水的定量問題被總結出來，電解水開始在社會上引起了廣泛的關注。所以在20世紀初期世界上已經存在了400多家電解水的工廠，當時最大產氫量可以達到10000Nm3/h。
• 1839年，William Grove和Christian Friedrich Schonbein發現氧氣和氫氣反應會生成水和放電的現象，當時稱之為Grove“氣體電池”，也就是后來大家知道的燃料電池。
• 1869年，當直流電極被Gramme發明后，電解水成為了一種非常廉價制備氫氣的方式。
• 1978年，世界上第一家堿性條件下水分解產氫的工廠成立。

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