Advances in Catalysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gates, Bruce C. (EDT)/ Knoezinger, Helmut (EDT)/ Jentoft, Friederike (EDT)

出品人:

页数:488

译者:

出版时间:2009-3

价格:$ 276.85

装帧:

isbn号码:9780123743367

丛书系列:

图书标签:

• 催化
• 化学
• 材料科学
• 纳米技术
• 有机化学
• 无机化学
• 工业催化
• 环境催化
• 能源催化
• 表面化学

《催化科学前沿》 引言 催化，作为化学反应速率和选择性的强大调控手段，贯穿于现代科学技术的几乎每一个角落，从石油化工、新材料合成到环境保护、生物医药，无不依赖于其精妙的机制。随着科学探索的不断深入，催化领域也持续涌现出令人振奋的新理论、新材料和新应用。《催化科学前沿》系列书籍，汇聚了全球顶尖催化研究者们的智慧结晶，深入剖析了催化科学的最新进展，旨在为化学家、工程师以及所有对催化领域怀有浓厚兴趣的研究者提供一个全面、深入的学习平台。本系列并非对某一特定催化剂或反应进行流水账式的罗列，而是着眼于催化科学共性的、前沿性的理论突破、技术革新与跨学科融合，致力于揭示催化反应背后深刻的物理化学原理，并展望其在解决全球性挑战中的巨大潜力。 第一部分：催化基础理论与计算模拟的最新进展 催化现象的本质在于能量的传递与转化，理解这一过程的微观机制是开发高效催化剂的关键。本部分内容将深入探讨催化理论研究的最新进展，重点关注以下几个方面： 1. 量子化学计算与机器学习在催化设计中的协同应用： 高精度量子化学计算方法的发展与优化：从密度泛函理论（DFT）的最新算法进展，如考虑范德华力、强关联效应以及手性相互作用的模型，到耦合簇（coupled-cluster）方法在处理复杂催化体系的局限性与突破，本部分将详细介绍计算化学如何提供更精确的反应能垒、吸附能以及过渡态结构信息。特别地，会探讨如何利用这些计算结果来理解催化剂表面吸附物种的电子结构、几何构型以及它们之间相互作用对反应路径的影响。 机器学习（ML）与人工智能（AI）在催化数据分析与模型构建中的应用：随着高通量实验和计算模拟产生海量数据，如何高效地从中提取有价值的信息成为挑战。本部分将深入阐述机器学习算法，如支持向量机（SVM）、随机森林（Random Forest）、神经网络（Neural Networks），特别是图神经网络（Graph Neural Networks, GNNs）如何应用于预测催化剂的性能（如活性、选择性、稳定性），加速催化剂的筛选与设计。会详细介绍如何构建特征描述符（Descriptors）来表征催化剂的结构和组成，并利用ML模型来建立性能与结构之间的定量关系（QSAR/QSPR），从而指导实验设计，避免盲目试错。 从第一性原理到宏观尺度的多尺度模拟：单一尺度的模拟难以完全捕捉催化过程的复杂性。本部分将探讨如何通过多尺度模拟策略，将原子尺度的量子化学计算与介观尺度的分子动力学（MD）模拟，乃至宏观尺度的计算流体动力学（CFD）相结合。例如，如何利用MD模拟来研究催化剂表面的动态行为、固液界面的行为以及纳米粒子团聚与分散过程；如何通过CFD模拟来优化反应器设计，提高传质传热效率，从而提升整体催化反应的性能。 2. 原位/原位同步观测技术揭示动态催化过程： 同步辐射技术在催化研究中的前沿应用：X射线吸收光谱（XAS）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等同步辐射技术，凭借其高灵敏度、高分辨率以及原位能力，已成为解析催化剂结构-活性关系的利器。本部分将重点介绍如何利用这些技术在反应过程中实时监测催化剂的价态变化、配位环境、晶相演变以及活性物种的形成与转化。例如，在氧化还原反应中，如何通过XANES/EXAFS监测金属位点的氧化态和配位原子；在多相催化中，如何通过原位XRD研究催化剂在反应气氛下的晶体结构变化。 显微成像技术与光谱学联用的最新进展：透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）等高分辨率成像技术，结合能量色散X射线光谱（EDX）、电子能量损失谱（EELS）或拉曼光谱，能够提供纳米尺度甚至单原子尺度的结构和化学信息。本部分将深入探讨如何利用这些技术进行催化剂表面的活化、失活区域的定位，以及纳米粒子尺寸、形貌、合金组成对催化性能的影响。特别会关注单原子催化剂（SACs）的研究，如何通过高分辨成像技术直接观察到分散的金属原子及其与载体的相互作用。 非线性光谱技术与表面科学的融合：例如，二维红外光谱（2D-IR）和非线性拉曼光谱等技术，能够提供反应过程中分子振动动力学信息，揭示反应中间体的寿命、能量弛豫过程以及分子在催化表面的取向。本部分将介绍这些尖端光谱技术如何帮助理解催化反应中的能量传递机制和反应活化过程。 第二部分：新型催化材料的设计与合成策略 催化材料是催化反应的核心载体，其结构、组成和形貌的微调直接影响催化性能。本部分将聚焦于具有前所未有催化潜力的各类新型催化材料的创制。 1. 单原子催化剂（SACs）与亚纳米团簇催化剂的精确制备与调控： 单原子催化剂的设计理念与合成方法：SACs因其原子利用率高、结构均一、性能独特而备受瞩目。本部分将详细介绍多种制备SACs的方法，包括浸渍-还原法、原子层沉积（ALD）、缺陷工程诱导法、金属有机框架（MOFs）或共价有机框架（COFs）的预构筑等。重点会探讨载体材料（如氧化物、碳材料、氮化物）的选择对其稳定性和催化活性的影响。 亚纳米金属团簇催化剂的尺寸效应与结构多样性：相比单原子，金属团簇（通常包含10-100个原子）表现出独特的电子结构和协同效应。本部分将介绍如何通过精确控制金属前驱体的量、溶剂、配体以及反应条件来合成尺寸均一、结构明确的亚纳米金属团簇。深入分析团簇的尺寸、形状（如二十面体、立方体）以及其表面原子配位环境如何影响其催化性能，并探讨其在氧化、加氢、C-C偶联等反应中的优异表现。 2. 多功能化与协同催化材料的构筑： 异相与均相催化体系的有效结合：本部分将探讨如何设计能够实现异相与均相催化协同作用的材料，例如，将均相催化活性位点锚定在异相载体上，实现易分离且高效的催化体系。会详细介绍MOFs、COFs、聚合物载体以及介孔材料在负载均相催化剂方面的应用，以及协同催化剂在多步反应中的优势。 多活性位点协同效应的设计与实现：通过精心设计具有不同化学性质的多个活性位点（如酸碱位点、氧化还原位点、Lewis酸/碱位点）集成在同一材料中，可以实现协同催化，提高反应效率和选择性。本部分将介绍多种构筑多功能材料的策略，如掺杂、复合、构建杂化结构等，并深入分析不同活性位点之间的协同机理，例如，通过酸碱协同催化实现复杂分子的转化。 表面修饰与功能化策略：本部分将重点介绍通过表面修饰技术（如等离子体处理、化学官能团化、引入助催化剂等）来调控催化剂表面的电子结构、酸碱性、亲疏水性等，从而优化催化剂的性能。例如，通过表面氟化处理改变氧化物催化剂的表面酸性，或通过引入助催化剂来激活惰性键。 3. 介观与纳米尺度结构材料的精确可控合成： 介孔与有序介孔材料的合成与性能调控：例如，硅基介孔材料（MCM-41, SBA-15）、金属氧化物介孔材料以及碳基介孔材料，因其高比表面积、规整的孔道结构以及易于功能化等特点，在催化领域具有广泛应用。本部分将介绍这些材料的模板法、软模板法等合成技术，以及如何通过调控孔径、孔道结构、壁厚以及引入不同功能基团来优化其催化性能。 仿生催化与酶模拟：模仿天然酶的结构和功能，设计具有高活性、高选择性和高稳定性的仿生催化剂，是催化领域的一个重要方向。本部分将介绍如何利用分子模拟、自组装技术以及设计合成模拟酶活性中心的模型化合物，实现对复杂生物催化过程的模拟。 第三部分：催化技术在重大科学与工程问题中的突破性应用 催化科学的最终目标是解决现实世界中的重大挑战。本部分将展示催化技术在能源、环境、化学合成等关键领域的最新应用与发展趋势。 1. 可持续能源转化与储存： 光催化与电催化在水分解制氢与CO2还原中的应用：本部分将深入探讨半导体光催化剂（如TiO2, g-C3N4, MOFs）和电催化剂（如贵金属、过渡金属氧化物/硫化物）在实现高效、低成本的太阳能制氢和CO2电化学还原方面的最新进展。会分析不同材料的能带结构、表面修饰以及电极结构设计对光/电催化性能的影响，并讨论如何提高活性、选择性和稳定性，以及放大生产的可行性。 燃料电池催化剂的开发与挑战：质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）是未来清洁能源的重要载体。本部分将聚焦于铂基催化剂的替代研究，如过渡金属合金、碳载贵金属、单原子催化剂等在氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）中的性能提升，以及高温燃料电池的催化剂材料开发。 生物质转化与电化学合成：本部分将讨论利用催化技术将生物质转化为高附加值化学品和燃料的最新策略，以及电化学合成方法在温和条件下实现复杂有机分子的制备。 2. 环境保护与污染治理： 挥发性有机物（VOCs）的催化氧化与分解：VOCs是重要的空气污染物，本部分将介绍新型催化剂（如贵金属、复合氧化物、多功能吸附-催化材料）在低温高效氧化去除VOCs方面的研究进展，以及其在工业废气处理中的应用。 汽车尾气净化与工业排放物处理：重点介绍三元催化器中贵金属纳米颗粒的演变、负载型催化剂的性能优化以及非贵金属催化剂的开发。同时，会关注工业生产过程中 NOx、SOx、二噁英等污染物的催化脱除技术。 废水处理与环境修复：本部分将介绍催化技术在降解水中难降解有机污染物（如染料、农药、抗生素）、去除重金属离子以及催化氧化去除氨氮等方面的应用。 3. 精细化学品与医药中间体的绿色合成： 不对称催化与手性合成：手性化合物在医药、农药等领域具有至关重要的作用。本部分将深入探讨新型手性配体、手性催化剂（包括均相、异相及酶催化）的设计与应用，以及高对映选择性、高产率合成手性分子的新策略。 C-H键活化与官能团化：C-H键的直接活化与官能团化是实现分子高效合成的重要途径，本部分将介绍金属催化、光催化等方法在选择性C-H键活化领域的最新突破，以及其在合成复杂分子中的应用。 可持续化学过程的开发：本部分将关注开发环境友好的催化反应，如使用水作为溶剂、利用可再生资源作为原料、减少副产物生成等，推动化学工业向绿色化、可持续化方向发展。 结论与展望 《催化科学前沿》系列书籍，通过对基础理论、新材料、新技术的深入探讨，以及在能源、环境、化学合成等领域的广泛应用展示，描绘了催化科学发展的壮丽图景。未来，催化科学将在人工智能与大数据驱动下，实现更智能的催化剂设计与过程优化；在多尺度模拟与原位表征技术的协同下，对催化机理进行更深入的理解；在跨学科交叉融合（如材料科学、化学生物学、纳米技术）的推动下，涌现出更多突破性的催化体系和应用。本系列书籍的出版，将极大地推动催化科学的研究与发展，为解决人类面临的能源、环境和健康等重大挑战贡献催化智慧。

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