可持续发展是指既满足当代人的需求,又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。换句话说,就是指社会、经济、资源和环境保护协调发展,它们是一个密不可分的系统,既要达到发展经济的目的,又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境,使子孙后代能够永续发展和安居乐业。而可持续发展的基础是资源的可持续利用和良好的生态环境。当代资源和生态环境问题日益突出,向人类提出了严峻的挑战。化学研究和应用无论是在自然资源的合理开发和综合利用中发挥着重要的作用。还是在生态环境保护和治理方面都起着举足轻重的作用。
一、化学与资源开发
1、太阳能的开发。太阳能是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,可免费使用,无需运输,对环境无任何污染。太阳能的开发和利用使人类社会进入一个节约能源减少污染的时代。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。其中太阳能电池能直接将太阳能转变成电能,并将电能存储在电容器中,以备需要时使用。目前最新一代的太阳能电池——染料敏化太阳能电池[1],以极其低廉的成本实现光能发电。
染料敏化太阳能电池具有类似三明治的结构,将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上,再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极,在工作电极和对电极(通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃)之间是含有氧化还原物质对(常用i2和i-)的液体电解质,它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。在入射光的照射下,镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子,跃迁到激发态,然后向二氧化钛的导带注入电子,染料成为氧化态的正离子,电子通过外电路形成电流到对电极,染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子,还原为最初染料,而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生,从而形成一个完整的循环,在整个过程中,表观上化学物质没有发生变化,而光能转化成了电能。WWW.11665.cOM
染料敏化太阳能电池是仿照植物叶绿素光合作用原理制备的一种太阳能电池[2]。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体,起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用;染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素,起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样,基于纳米晶电极的太阳能电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。模拟植物光合作用原理制造太阳能电池一直是人类的一个梦想,经过近二十年的发展,这一梦想越来越接近于实现并造福人类社会。
2、氢能源的开发。当今世界开发新能源迫在眉睫,原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤等,均属不可再生资源,地球上存量有限,而人类生存又时刻离不开能源,所以必须寻找新的能源。氢是一种热值很高的燃料。氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为286kj/mol,是汽油发热值的3倍。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质——水,没有任何污染。未来最有前途的燃料电池也主要是以氢为能源。
氢能的利用,主要包括两个方面:一是制氢工艺,二是储氢方法。氢的来源非常丰富,若能从水中制取氢,则可谓取之不尽、用之不竭。以水为原料制取氢气的设想比较可行的主要有两种:一是将太阳能聚焦产生高温使水分解;二是寻找特殊化学物质,用于开发廉价能源,以分解水制取氢气。而在氢气的储存方面,可以利用储氢合金来储存氢气。目前研究发展中的储氢合金,主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。也可以用复合氢化物如铝氢化物和硼氢化物储氢[3]。近年来科学家们发现纳米碳可能是一种优异的储氢材料,并对其进行了全面研究,其中纳米碳管、纳米碳纤维等一维纳米碳材料表现出优异的储氢性能[4]。
二、化学与环境保护
1、水污染治理。水是生命之源,人类的生存和发展离不开水,而当今世界水资源匮乏且污染严重,处理水污染的方法有很多,如物理法、生物法和化学法。其中化学方法处理污水主要有以下几种:(1)混凝法——用混凝剂除去水中的悬浮颗粒物;(2)中和法——利用酸碱中和反应处理酸性或碱性废水;(3)沉淀法——使用沉淀剂将重金属离子转变成沉淀。在实际处理污水的过程中,往往是多种方法同时使用。
2、大气污染防治。空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。工业文明和城市发展,在为人类创造巨大财富的同时,也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中,人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。
常见的大气污染主有温室效应、酸雨和臭氧层空洞。温室效应主要是由于化石燃料燃烧产生的二氧化碳引起的,防治的根本措施是寻找新能源代替化石燃料。酸雨的罪魁祸首是硫和氮的氧化物,因此,防治酸雨最根本的措施是减少人为硫氧化物和氮氧化物的排放。实现这一目标有两个途径:一是调整以矿物燃料为主的能源结构,增加无污染或少污染的能源比例,发展太阳能、核能、水能、风能、地热能等不产生酸雨污染的能源。二是加强技术研究,减少废气排放,积极开发利用煤炭的新技术,推广煤炭的净化技术、转化技术,改进燃煤技术,改进污染物控制技术,采取烟气脱硫、脱氮技术等重大措施。造成臭氧层空洞的元凶是氟利昂,氟利昂是本世纪20年代合成的,其化学性质稳定,不具有可燃性和毒性,被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂。在现代经济中,氟利昂等物质应用非常广泛,要全面淘汰,必须首先找到氟利昂等的替代物质和替代技术,如水清洗技术、氨制冷技术等。
