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出版者:Earthscan Publications Ltd.

作者:The Worldwatch Institute

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2007-08

价格:USD 95.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781844074228

丛书系列:

图书标签:

• 能源
• Biofuels
• Renewable Energy
• Sustainable Transport
• Alternative Fuels
• Energy Policy
• Bioenergy
• Biodiesel
• Bioethanol
• Fuel Technology
• Environmental Science

先进材料科学与可持续能源：跨学科前沿探索 图书名称： 先进材料科学与可持续能源：跨学科前沿探索 图书简介： 本书深入剖析了当代材料科学在推动全球可持续能源转型中所扮演的核心角色。聚焦于能源捕获、存储、转换和利用等关键环节，本书系统梳理了从基础理论到尖端应用的最新研究进展，旨在为材料科学家、化学工程师、能源政策制定者以及相关领域的研究生提供一本全面、前沿且具有高度实践指导意义的参考著作。 本书摒弃了对单一能源技术路线的狭隘关注，采取宏观与微观相结合、理论推导与实验验证相印证的综合视角，全面覆盖了构建未来低碳能源系统的核心材料体系。 第一部分：能源转换的前沿材料学基础 本部分奠定了理解现代能源材料所需的基本理论框架，并引入了当前最具创新性的材料设计理念。 第一章：量子效应与低维材料的能带工程 本章首先回顾了半导体物理在光电效应中的基础原理，随后聚焦于二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物、MXenes）的独特电子结构。重点讨论了如何通过尺寸效应、界面工程和表面修饰，精确调控这些材料的费米能级、载流子迁移率和缺陷态密度，从而优化其在光吸收和电荷分离过程中的性能。特别强调了应变工程和异质结构建对拓宽有效吸收光谱和抑制载流子复合的巨大潜力。 第二章：催化剂设计的新范式：单原子催化与熵驱动效应 催化是所有能源转换过程（包括水分解、二氧化碳还原、燃料电池反应）的核心。本章详细阐述了从传统的纳米颗粒催化向更精细化的单原子催化（SACs）的转变。深入分析了SACs中原子配位环境、电子结构与催化活性位点之间的定量关系。此外，本章还探讨了如何利用高熵合金和复杂氧化物中的熵效应来稳定高活性或亚稳态的催化结构，从而在更温和的条件下实现高选择性和高周转频率（TOF）。 第三章：高性能电解质的界面化学与稳定性 固态电池、电化学储能装置的性能瓶颈往往存在于电极/电解质界面。本章侧重于分析新型电解质——特别是固态电解质（如硫化物、氧化物和聚合物基电解质）的离子传导机制。详细讨论了界面阻抗的来源，包括空间电荷层效应、化学反应和机械不匹配。通过原位/准原位表征技术，揭示了锂枝晶生长、界面副反应动力学，并提出了界面稳定层（SEI/CEI）的设计策略。 第二部分：能源捕获与转化系统的材料创新 本部分聚焦于将基础材料转化为实际能源装置的关键技术，涵盖了太阳能、热能和化学能的捕获与转化。 第四章：下一代光伏材料：钙钛矿的长期稳定性与规模化制备 钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其高效率迅速崛起，但其商业化受限于长期稳定性和铅的毒性问题。本章详细剖析了影响PSCs寿命的四大衰减途径：光照、热、湿度和电场作用下的离子迁移。重点介绍了本征缺陷钝化技术、界面工程（如2D/3D杂化结构）、无铅替代物（如锡基或双钙钛矿）的开发进展，并探讨了卷对卷（Roll-to-Roll）等高效、低成本制备工艺的材料适配性。 第五章：高效热电材料：塞贝克系数与晶格热导率的解耦 热电材料能够将温差直接转化为电能，是利用余热的关键。本章的核心在于如何同时提升热电优值（ZT），即同时提高塞贝克系数（S）和电导率（σ），同时大幅降低晶格热导率（κL）。探讨了基于玻尔兹曼输运方程的理论模型，以及通过点缺陷、纳米结构嵌入（如声子散射中心）和晶格畸变来“软化”晶格，实现κL的有效抑制，从而在室温附近实现高ZT值的材料体系，如碲化物和氧化物。 第六章：电催化制氢与CO2还原：多相界面的精细调控 绿色氢能的获取依赖于高效的水分解电催化剂。本章对比了贵金属（Pt、Ir）催化剂在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中的局限性，并深入研究了基于过渡金属氧化物、硫化物和磷化物的非贵金属催化剂。特别关注了“活性物种”在催化循环中的真实状态，如何利用电势驱动的结构重构来揭示深层催化机理，并设计出在碱性、中性介质中均表现优异的双功能催化剂。在CO2还原方面，重点分析了铜基催化剂对多碳产物选择性的控制，以及如何通过表面电荷调控来降低CO2活化能垒。 第三部分：能源存储系统的材料挑战与未来展望 本部分聚焦于大规模、高密度能源存储技术，涵盖了电池、超级电容器及储氢材料。 第七章：锂离子电池的能量密度突破：硅基负极与高电压正极 锂离子电池的性能受限于电极材料的理论容量和工作电压。本章首先详细分析了为什么硅基材料是下一代高容量负极的希望，并探讨了如何通过纳米结构设计、表面包覆和电解质添加剂来解决硅在充放电过程中的巨大体积膨胀问题，从而实现长循环寿命。在正极方面，深入探讨了富锂锰基材料和镍锰钴（NMC）高镍化带来的挑战，如晶格氧的脱嵌、电压衰减和热稳定性问题，以及如何通过结构稳定剂来维持其高电压下的结构完整性。 第八章：非锂离子电池的材料生态构建 为应对资源稀缺和安全问题，本章系统介绍了钠离子、钾离子、镁离子及锌离子电池的电化学特性。重点对比了不同离子的半径、电势窗口和离子迁移率对电极材料（如层状氧化物、普鲁士蓝类似物、硬碳）选择的影响。分析了钠离子电池在软包化、高电压下对电解质的特殊要求，以及镁离子电池在宽电压区间和高安全性方面的独特优势及当前面临的界面阻抗难题。 第九章：超级电容器与储氢材料的结构与功能耦合 超级电容器（EDLCs和赝电容）的快速充放电特性依赖于高比表面积和优良的导电性。本章探讨了新型碳基材料（如石墨烯气凝胶、碳纳米管阵列）的孔隙结构设计，以优化离子/电极界面的接触面积和传输速率。在储氢方面，系统评估了金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）在物理吸附储氢中的性能，并分析了化学储氢材料（如金属氢化物和有机液态储氢材料）的热力学限制与动力学瓶颈，为实现安全、高容量的常温常压储氢提供了材料层面的解决方案。 结论与展望：材料设计的人工智能辅助与高通量筛选 本书最后一部分展望了能源材料研究的未来方向，强调了计算材料学和高通量计算方法在加速新材料发现中的不可替代作用。详细介绍了机器学习（ML）和深度学习（DL）模型在预测材料性能、优化合成参数和理解复杂反应机理方面的最新应用，预示着材料设计将从依赖经验和试错，转向基于数据驱动的精准预测与靶向合成。 --- 本书结构严谨，内容详实，充分体现了材料科学与能源工程交叉学科的深度和广度，是理解和推动下一代可持续能源技术发展的必备参考书。

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这本书的叙事节奏把握得相当不错，整体读起来一气呵成，没有太多晦涩难懂的专业术语堆砌，即便是对能源领域稍有涉猎的非专业人士，也能大致跟上作者的思路。作者巧妙地将历史回顾与当前挑战穿插进行，使得枯燥的能源转型故事变得富有张力。例如，在讨论20世纪初期的生物燃料萌芽阶段时，作者引用了一些非常生动的历史文献片段，让读者仿佛置身于那个技术探索的黄金时代。不过，正因为这种流畅性，使得我在寻求特定问题的答案时，感受到了轻微的挫败感。比如，我对微生物燃料电池（MFC）在生物柴油生产中的潜在应用非常感兴趣，这本书中只是将其作为一个快速发展的分支简单提及，并未深入剖析其电流密度、稳定性和寿命等关键性能指标。我期待的可能是一章专门用于探讨利用生物工程手段改良微生物以提高燃料转化率的案例研究，或者至少是几个关键的专利技术分析。全书的视角更像是从“产业生态”而非“分子层面”去审视问题。它成功地描绘了一幅宏大的能源版图，但缺少了在地图上标记出那些关键的技术制高点的精细度。对于希望深入了解具体反应机理的读者而言，这本书提供的参照价值可能主要在于行业背景的搭建。

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我购买这本书的另一个重要原因是冲着作者在特定领域——比如利用二氧化碳作为碳源进行光合作用制备燃料——的权威性研究声誉去的。然而，在全书中，这部分内容被压缩得非常简短，更像是一个致谢或脚注，而非核心贡献的展示。我原本期待看到关于“人工光合作用”系统效率的详细分解，包括光捕获效率、电荷分离效率以及最终燃料产率的精确数据。相反，书中更花精力去描述传统的“沼气发酵”技术在城市废物处理中的应用，这部分内容虽然实用，但对于关注尖端化学合成的读者来说，无疑是次要信息。这种内容权重的分配，使得这本书更偏向于一个“生物质能源的百科全书”，而不是一个聚焦于突破性化学转化技术的专业参考书。它提供了足够的信息来了解“生物燃料是什么”，但对于“如何用最先进的化学/工程手段制造出更高性能的生物燃料”，这本书提供的指引却相当有限。整体感觉，这本书像是在为本科生做知识普及，而不是为研究生或行业专家提供前沿洞察。

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从排版和装帧来看，这本书无疑是市场上高品质读物的代表。纸张厚实，墨色清晰，图表设计简洁明了，几乎没有印刷错误或排版上的瑕疵，这为长时间阅读提供了舒适的视觉体验。然而，我关注的焦点始终是内容本身对现有知识体系的补充和挑战。我原以为它会聚焦于新兴的合成生物学方法，比如利用工程酵母或大肠杆菌来直接发酵生产高辛烷值的燃料分子。这类技术被认为是突破传统酯交换工艺限制的关键。书中确实提到了“生物合成路径”，但随即转向了对现有纤维素乙醇生产成本居高不下的讨论，并且集中于物流和土地使用的伦理困境。这让我感到一丝不解：是作者认为合成生物学尚未成熟到可以作为独立章节深入讨论的程度，还是他们刻意避开了高风险、高回报的颠覆性技术？我更倾向于前者，但这对一本定位为前沿研究参考的书籍来说，是一个明显的缺憾。真正的价值在于挖掘那些尚未成为主流，但极具潜力的研究方向，而非对当前困境进行重复性的归纳总结。我更希望看到关于下一代生物喷气燃料（如HEFA或Fischer-Tropsch合成的替代方案）的详细热力学分析，但这方面的深度完全没有展现出来。

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这本书的结构安排，初读时显得颇具逻辑性，从宏观的全球能源需求出发，层层递进到不同类型的生物燃料分类，再到各国政府的激励政策。这种自上而下的组织方式，使得初学者可以快速建立起一个框架认知。但随着阅读的深入，我开始注意到不同章节之间的衔接略显生硬，特别是从传统生物柴油转向生物乙醇时，过渡缺乏一个统一的比较模型。更重要的是，书中对“可持续性”的定义似乎停留在碳排放平衡的简单计算上。对于一个关注生命周期评估（LCA）的读者来说，这本书的分析深度远远不够。LCA不仅要看碳，还要考虑水资源消耗、土壤质量变化以及生物多样性的影响。这本书对这些复杂的环境指标几乎没有量化分析，只是停留在定性的描述上。例如，关于第一代生物燃料是否与粮食安全产生冲突的问题，书中给出的结论过于保守和概括，缺乏支持其观点的具体区域性案例研究或数据模型。我期待看到的是基于GIS数据的土地利用变化模型，或者至少是不同地区（如东南亚的棕榈油种植区与北美的玉米种植区）在水足迹方面的对比数据。这本书在环境影响的量化评估上，显得力不从心。

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这本书的封面设计非常吸引人，采用了深邃的蓝色调，中间配以抽象的绿色能源流动线条，给人一种既专业又充满未来感的印象。我原本是抱着学习前沿能源技术的心态来翻阅的，期待能找到一些关于下一代生物燃料在效率提升和成本控制方面的突破性研究。然而，阅读过程中我发现，它似乎更侧重于宏观的政策导向和市场分析，对具体的技术细节，比如催化剂的优化、反应器设计的革新，着墨不多。比如，关于藻类生物燃料的商业化挑战，书中花了不少篇幅讨论政府补贴退坡带来的影响，以及供应链整合的复杂性，这些内容虽然重要，但对于一个热衷于工程实现的技术人员来说，略显“软性”。我一直在寻找那种能让我眼前一亮的实验数据或流程图，能够清晰展示如何将实验室成果放大到工业规模的路线图。遗憾的是，这些核心的技术转化环节，在书中只是被轻轻带过，更像是一个背景介绍，而非深入的探讨。我希望能看到更多关于不同生物质原料（如农业废弃物、林业残余物）的预处理工艺的详细对比，以及它们在不同酯交换或热解过程中的能耗分析。这本书更像是一本为政策制定者或投资者准备的行业白皮书，而不是为我们这些埋头于实验室的研发人员量身定制的深度技术手册。它提供了广阔的视野，但缺乏脚踏实地的技术深度。

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