Fuel Cell Catalysis pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Koper, Marc/ Wieckowski, Andrzej

出品人:

页数:720

译者:

出版时间:2009-4

价格:1220.00 元

装帧:

isbn号码:9780470131169

丛书系列:

图书标签:

燃料电池
催化
电化学
材料科学
能源
可再生能源
纳米材料
表面化学
质子交换膜燃料电池
直接甲醇燃料电池

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具体描述

Wiley Series on Electrocatalysis and Electrochemistry Fuel Cell Catalysis A Surface Science Approach A Core reference on fuel cell catalysis Fuel cells represent an important alternative energy source and a very active area of research. Fuel Cell Catalysis brings together world leaders in this field, providing a unique combination of state-of-the-art theory and computational and experimental methods. With an emphasis on understanding fuel cell catalysis at the molecular level, this text covers fundamental principles, future challenges, and important current research themes. Fuel Cell Catalysis: Provides a molecular-level description of catalysis for low-temperature polymer-electrolyte membrane fuel cells, including both hydrogen-oxygen cells and direct alcohol cells Examines catalysis issues of both anode and cathode such as oxygen reduction, alcohol oxidation, and CO tolerance Features a timely and forward-looking approach through emphasis on novel aspects such as computation and bio-inspiration Reviews the use and potential of surface-sensitive techniques like vibrational spectroscopy (IR, Raman, nonlinear spectroscopy, laser), scanning tunneling microscopy, X-ray scattering, NMR, electrochemical techniques, and more Reviews the use and potential of such modern computational techniques as DFT, ab initio MD, kinetic Monte Carlo simulations, and more Surveys important trends in reactivity and structure sensitivity, nanoparticles, "dynamic" catalysis, electrocatalysis vs. gas-phase catalysis, new experimental techniques, and nontraditional catalysts This cutting-edge collection offers a core reference for electrochemists, electrocatalysis researchers, surface and physical chemists, chemical and automotive engineers, and researchers in academia, research institutes, and industry.

动力系统与能源转化的前沿探索：高性能化学能转换器件设计与优化本书聚焦于下一代能源转换技术的核心——高性能化学能转换器件，深入探讨了从基础电化学原理到实际工程应用的各个关键环节。本书旨在为材料科学家、化学工程师以及能源系统设计者提供一份全面而深入的参考指南，助力推动高效、可持续能源解决方案的研发进程。第一部分：电化学基础与界面现象的微观解析本部分奠定了理解现代能源转换器件工作机制的理论基石。我们从热力学和动力学的基本定律出发，详细解析了电化学反应的驱动力、速率限制因素以及能量损失的来源。 1.1 反应动力学与传输现象深入剖析了电极/电解质界面的多相反应过程。重点讨论了电荷转移步骤的精细动力学，包括阿伦尼乌斯（Arrhenius）行为、布查德-沃尔默（Butler-Volmer）方程的适用性，以及在不同工作条件下（如高电流密度、宽温度范围）的偏离现象。我们详细阐述了电极表面活性位点的表征方法，如原位光谱技术（IR、拉曼）和电化学石英晶体微天平（EQCM），以实时监测反应过程中的物质吸附与脱附行为。 1.2 质量与电荷传输限制在器件的实际运行中，传质（Mass Transfer）和电荷传输（Charge Transfer）的限制是制约其性能提升的主要瓶颈。本章详细考察了反应物（如氧化剂、还原剂）在电解质中的扩散机制、对流效应以及浓差极化现象。对于固态电解质系统，本书深入探讨了离子迁移率的本征限制，以及通过结构工程（如孔隙结构设计、晶界优化）来降低传输阻抗的策略。此外，我们还引入了先进的数值模拟工具，如有限元法（FEM）和计算流体力学（CFD），对器件内部复杂的多尺度传输过程进行了精确建模与预测。 1.3 表面/界面相互作用的控制电极材料的表面特性直接决定了催化效率。本书详细分析了电极/电解质界面的电子结构、表面缺陷与催化活性位点之间的内在联系。内容涵盖了双电层结构对反应活性的调控、杂质对催化剂性能的毒化机制，以及如何利用表面工程技术（如原子层沉积ALD、分子束外延MBE）在原子尺度上精确构筑界面以实现功能优化。第二部分：高性能催化剂的设计、合成与表征本部分将研究的重心转向实现高效电化学转化的关键——催化剂材料。我们着重于开发兼具高活性、高稳定性与低成本的新型催化体系。 2.1 贵金属替代与非贵金属催化鉴于贵金属资源稀缺性和成本高昂，本书投入大量篇幅探讨了高性能非贵金属催化剂的开发策略。详细介绍了过渡金属氧化物、硫化物、氮化物以及碳基复合材料在氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）中的应用潜力。尤其关注了单原子催化剂（SACs）的构筑原理，探讨了如何通过锚定效应和配位环境的精确调控，最大化利用单个金属原子催化活性。 2.2 纳米结构工程与形貌控制催化剂的纳米结构（如尺寸、形状、表面积、晶面暴露）对其性能至关重要。本章系统梳理了从零维（量子点）、一维（纳米线/管）到二维（纳米片）纳米材料的合成方法，包括溶剂热法、模板辅助合成、电化学沉积等。重点分析了不同晶面暴露如何影响反应能垒，并通过实例展示了如何通过结构诱导实现对活性位点的“晶面工程”。 2.3 催化剂载体与复合材料的协同效应单一催化剂往往难以满足多重性能需求。本书探讨了通过构建功能性复合材料来提升催化剂整体性能的策略。详细讨论了碳材料（如石墨烯、碳纳米管、多孔碳）作为载体时的作用机制，包括电子导电性的提升、机械稳定性的增强以及促进中间产物的快速脱附。此外，还深入分析了电催化剂在长期运行中面临的去活化问题（如团聚、溶解、氧化），并提出了通过涂层保护和惰性基底结合等方式来提高耐久性的工程措施。 2.4 原位/准原位表征技术准确理解催化剂在工作状态下的真实结构和电子态是突破性能瓶颈的前提。本部分详细介绍了多种原位/准原位表征技术，如同步辐射X射线吸收谱（XAS）、原位透射电子显微镜（TEM）和在线质谱联用技术。通过这些技术获得的动态信息，我们得以揭示催化剂的“工作态”结构，从而指导更具针对性的材料设计。第三部分：面向特定应用的器件集成与优化本部分将视角从材料转移到完整的能量转换器件，关注如何将高性能催化剂有效地集成到实际应用系统（如电解水制氢、二氧化碳还原、金属-空气电池）中。 3.1 电解槽与反应器设计成功的能量转换依赖于优化的反应器设计。本书详细介绍了不同类型电解槽（如全离子交换膜、碱性电解槽）的结构特点和传质特点。特别关注了膜/电极组件（MEA）的制备技术，包括浆料配方、涂布工艺和三维传输通道的构筑，以确保反应物的高效供应和产物的快速移除。 3.2 性能衰减模型与寿命预测器件的长期稳定性是商业化的核心挑战。本章建立了系统性的性能衰减分析框架，涵盖了电化学、热力学和机械应力导致的失效模式。讨论了如何利用加速老化测试（Accelerated Stress Test, AST）来模拟长期运行，并构建了基于机器学习和物理模型耦合的寿命预测方法，为器件的可靠性设计提供数据支撑。 3.3 系统集成与能量效率提升最终，本部分探讨了器件在整个能源系统中的定位。分析了系统层面的能量管理策略，如热管理、水管理和电能质量控制对整体效率的影响。通过案例研究，展示了如何通过优化系统集成设计，最大限度地减少寄生损失，实现能源的高效、稳定转化。本书适合对象：能源材料、电化学工程、应用化学、物理化学等领域的本科高年级学生及研究生。从事新型电池、燃料电池、电解水、电催化领域研发的科研人员。相关产业的技术工程师和产品开发人员。