本书介绍了能源材料的基础与应用,主要涉及能源转换材料与储能材料。主要章节包括:能源材料化学基础,能源材料表征技术,化石能源催化转换材料,光化学转换材料,光电及电光转换材料,热电及压电转换材料,储能材料,燃料电池材料等。本书内容丰富,涵盖面广,不仅介绍了各种能源材料的作用原理与技术应用,而且也涉及当前相关能源材料领域的关键技术和热点问题。本书适合高等院校的能源材料以及相关学科的本科生和研究生的教学使用,也适用于从事新材料、新能源、化工、环境等相关领域的科研人员和工程技术人员的参考用书。
能源是支撑当今人类文明和保障社会发展的最重要的物质基础,随着能源和环境问题的日益恶化,传统能源结构已经难以满足人类社会的发展要求。世界经济的现代化和全球化建立在化石能源的基础上,然而这一有限的资源不仅终将面临枯竭,而且化石能源的燃烧所造成的环境污染使得人类将面临发展和生存危机。
解决未来能源问题的关键之一是开发可持续发展的新能源。新能源的开发、转换和储运应具有高效性、环保性和安全性,而这些过程和目标的实现离不开能源材料的发展及其新技术的突破。
能源材料是能源与材料学科的一个新的交叉分支和重要研究方向。广义上,凡是与能源工业和能源技术相关的材料都可称为能源材料。在大力提倡可持续发展和新能源开发的今天,能源材料往往指那些正在发展的、可以支持建立新能源系统,满足各种新能源技术要求的材料,即通常所说的“新能源材料”。本书主要论述能源材料中当前研究和技术开发最为活跃的能源转换材料和储能材料的相关内容。
本书分9章,在概述能源材料化学基础和表征技术基础上,着重介绍了化石能源催化转化材料、光化学转换材料、光电及电光转换材料、热电材料与压电材料、储能(电池和储氢)材料、燃料电池材料等新能源材料。本书既阐述了各种能源材料的作用原理与技术应用,也涉及当前新能源材料领域的关键技术和热点问题。
本书由上官文峰(第一、五、六章)、江治(第二、三、四、七章)、屠恒勇(第九章)和沈水云(第八章)共同编著,上官文峰负责统稿。博士生房文健、刘军营、韦之栋等参加了本书的部分撰写和资料整理工作。在编辑出版过程中,上海交通大学出版社杨迎春等给予了大力支持与帮助,在此谨表谢意。
能源材料是随着能源问题凸显而迅速发展的一个交叉学科,具有基础性宽、前沿性强的特点。限于编者水平,书中存在的不足,恳请读者批评和指正。
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博士,上海交通大学教授、博导,跨世纪优秀人才培养计划入选者。研究方向为光催化与环境催化、太阳能转换与氢能制备、燃烧与内燃机排放催化净化、室内空气污染控制等。负责国家“973”项目并获多项发明专利。
第1章 绪论
1.1 能源与人类文明
1.1.1 火——人类能源利用的开端
1.1.2 能源的分类
1.2 能源与环境
1.2.1 能源利用与环境污染
1.2.2 能源利用与温室效应
1.3 能源与材料
1.3.1 何谓能源材料
1.3.2 能源材料的研究内容
1.3.3 能源材料的研究方法
问题思考
参考文献
第2章 能源材料化学基础
2.1 晶体结构
2.1.1 晶体的点阵理论
2.1.2 晶体的对称性
2.1.3 金属晶体
2.1.4 离子晶体
2.1.5 其他类型晶体
2.2 晶体缺陷
2.2.1 点缺陷
2.2.2 线缺陷
2.2.3 面缺陷和体缺陷
2.3 材料合成基础
2.3.1 粉体材料的制备
2.3.2 薄膜材料的制备
2.3.3 块体材料的制备
问题思考
参考文献
第3章 能源材料表征技术
3.1 宏观物性表征技术
3.1.1 比表面积浸4定
3.1.2 孔结构测定
3.1.3 机械强度测定
3.1.4 颗粒分析
3.2 体相表征技术
3.2.1 元素分析
3.2.2 谱学技术
3.2.3 热分析
3.3 表面表征技术
3.3.1 间接表征
3.3.2 直接表征
3.4 显微表征技术
3.4.1 透射电子显微镜
3.4.2 扫描电子显微镜
问题思考
参考文献
第4章 化石能源催化转化材料
4.1 催化基本原理
4.1.1 催化作用的基本特征
4.1.2 化学平衡的概念
4.1.3 催化反应的热力学
4.1.4 化学反应动力学
4.2 化石能源转化催化材料
4.2.1 催化裂化
4.2.2 催化重整
4.2.3 加氢处理
4.2.4 加氢裂化
4.2.5 碳正构烷烃异构化催化剂
4.3 石油替代技术中的催化材料
4.3.1 煤基费托合成
4.3.2 甲醇制烯烃及其催化剂
问题思考
参考文献
第5章 光化学转换材料
5.1 光催化制氢基本原理
5.1.1 光催化制氢的概念
5.1.2 光催化制氢反应过程
5.1.3 光催化制氢评价体系
5.2 光催化制氢反应装置及体系
5.2.1 光催化制氢反应及测试装置
5.2.2 光催化制氢半反应
5.2.3 光催化完全分解水
5.2.4 光电催化分解水
5.3 光催化制氢材料
5.3.1 金属氧化物及其含氧酸盐
5.3.2 金属硫(硒)化物
5.3.3 金属氮化物、氮氧化物及卤氧化物
5.3.4 Metal-free材料
5.3.5 共催化剂和助催化剂材料
5.4 光催化CO2还原
5.4.1 削减CO2的主要方法
5.4.2 光催化CO2还原基本原理
5.4.3 光催化CO2还原反应体系
5.4.4 光催化CO2还原材料
问题思考
参考文献
第6章 光电及电光转换材料
6.1 半导体材料与太阳能电池原理
6.1.1 半导体材料性质
6.1.2 太阳能电池原理及其性能评价
6.2 无机类太阳能电池材料
6.2.1 单元硅太阳能电池材料
6.2.2 多元化合物太阳能电池材料
6.3 有机类太阳能电池材料
6.3.1 染料敏化太阳能电池材料
6.3.2 其他有机类太阳能电池材料
6.4 LED电光转换材料
6.4.1 LED的发光原理
6.4.2 铈(Ⅲ)掺杂钇铝石榴石发光材料
6.4.3 硅酸盐发光材料
6.4.4 氮(氧)化物发光材料
问题思考
参考文献
第7章 热电材料与压电材料
7.1 热电材料
7.1.1 热电效应原理
7.1.2 热电材料研究现状
7.1.3 热电材料研究展望
7.2 压电材料
7.2.1 压电材料原理
7.2.2 压电材料的研究现状
问题思考
参考文献
第8章 储能材料
8.1 储能电池的电化学基础
8.1.1 储能电池的发展
8.1.2 储能电池工作原理简介
8.1.3 储能电池的性能评价
8.2 锂离子电池及其材料
8.2.1 锂离子电池概述
8.2.2 锂离子电池的组成及其材料
8.2.3 锂离子电池的发展前景
8.3 超级电容器及其材料
8.3.1 电化学电容器的简介与分类
8.3.2 超级电容器的工作原理及组成
8.3.3 超级电容器材料研究进展及趋势
8.4 储氢材料
8.4.1 氢能与氢的储存技术
8.4.2 主要储氢材料
8.4.3 储氢材料的应用
问题思考
参考文献
第9章 燃料电池材料
9.1 燃料电池概述
9.1.1 电化学原理
9.1.2 燃料电池的主要类型
9.1.3 燃料电池的应用
9.2 质子交换膜燃料电池
9.2.1 质子交换膜燃料电池技术简介
9.2.2 质子交换膜材料
9.2.3 电催化剂材料
9.2.4 双极板材料
9.2.5 直接甲醇燃料电池电催化剂材料
9.3 熔融碳酸盐燃料电池
9.3.1 熔融碳酸盐燃料电池技术简介
9.3.2 电解质及其隔膜材料
9.3.3 电极材料
9.4 固体氧化物燃料电池
9.4.1 固体氧化物燃料电池技术简介
9.4.2 电解质材料
9.4.3 电极材料
9.4.4 连接体材料
9.4.5 密封材料
问题思考
参考文献
索引