Fuel Cell Catalysis

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出版者:
作者:Koper, Marc/ Wieckowski, Andrzej
出品人:
頁數:720
译者:
出版時間:2009-4
價格:1220.00 元
裝幀:
isbn號碼:9780470131169
叢書系列:
圖書標籤:
  • 燃料電池
  • 催化
  • 電化學
  • 材料科學
  • 能源
  • 可再生能源
  • 納米材料
  • 錶麵化學
  • 質子交換膜燃料電池
  • 直接甲醇燃料電池
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具體描述

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.

動力係統與能源轉化的前沿探索:高性能化學能轉換器件設計與優化 本書聚焦於下一代能源轉換技術的核心——高性能化學能轉換器件,深入探討瞭從基礎電化學原理到實際工程應用的各個關鍵環節。本書旨在為材料科學傢、化學工程師以及能源係統設計者提供一份全麵而深入的參考指南,助力推動高效、可持續能源解決方案的研發進程。 第一部分:電化學基礎與界麵現象的微觀解析 本部分奠定瞭理解現代能源轉換器件工作機製的理論基石。我們從熱力學和動力學的基本定律齣發,詳細解析瞭電化學反應的驅動力、速率限製因素以及能量損失的來源。 1.1 反應動力學與傳輸現象 深入剖析瞭電極/電解質界麵的多相反應過程。重點討論瞭電荷轉移步驟的精細動力學,包括阿倫尼烏斯(Arrhenius)行為、布查德-沃爾默(Butler-Volmer)方程的適用性,以及在不同工作條件下(如高電流密度、寬溫度範圍)的偏離現象。我們詳細闡述瞭電極錶麵活性位點的錶徵方法,如原位光譜技術(IR、拉曼)和電化學石英晶體微天平(EQCM),以實時監測反應過程中的物質吸附與脫附行為。 1.2 質量與電荷傳輸限製 在器件的實際運行中,傳質(Mass Transfer)和電荷傳輸(Charge Transfer)的限製是製約其性能提升的主要瓶頸。本章詳細考察瞭反應物(如氧化劑、還原劑)在電解質中的擴散機製、對流效應以及濃差極化現象。對於固態電解質係統,本書深入探討瞭離子遷移率的本徵限製,以及通過結構工程(如孔隙結構設計、晶界優化)來降低傳輸阻抗的策略。此外,我們還引入瞭先進的數值模擬工具,如有限元法(FEM)和計算流體力學(CFD),對器件內部復雜的多尺度傳輸過程進行瞭精確建模與預測。 1.3 錶麵/界麵相互作用的控製 電極材料的錶麵特性直接決定瞭催化效率。本書詳細分析瞭電極/電解質界麵的電子結構、錶麵缺陷與催化活性位點之間的內在聯係。內容涵蓋瞭雙電層結構對反應活性的調控、雜質對催化劑性能的毒化機製,以及如何利用錶麵工程技術(如原子層沉積ALD、分子束外延MBE)在原子尺度上精確構築界麵以實現功能優化。 第二部分:高性能催化劑的設計、閤成與錶徵 本部分將研究的重心轉嚮實現高效電化學轉化的關鍵——催化劑材料。我們著重於開發兼具高活性、高穩定性與低成本的新型催化體係。 2.1 貴金屬替代與非貴金屬催化 鑒於貴金屬資源稀缺性和成本高昂,本書投入大量篇幅探討瞭高性能非貴金屬催化劑的開發策略。詳細介紹瞭過渡金屬氧化物、硫化物、氮化物以及碳基復閤材料在氧還原反應(ORR)、析氧反應(OER)中的應用潛力。尤其關注瞭單原子催化劑(SACs)的構築原理,探討瞭如何通過錨定效應和配位環境的精確調控,最大化利用單個金屬原子催化活性。 2.2 納米結構工程與形貌控製 催化劑的納米結構(如尺寸、形狀、錶麵積、晶麵暴露)對其性能至關重要。本章係統梳理瞭從零維(量子點)、一維(納米綫/管)到二維(納米片)納米材料的閤成方法,包括溶劑熱法、模闆輔助閤成、電化學沉積等。重點分析瞭不同晶麵暴露如何影響反應能壘,並通過實例展示瞭如何通過結構誘導實現對活性位點的“晶麵工程”。 2.3 催化劑載體與復閤材料的協同效應 單一催化劑往往難以滿足多重性能需求。本書探討瞭通過構建功能性復閤材料來提升催化劑整體性能的策略。詳細討論瞭碳材料(如石墨烯、碳納米管、多孔碳)作為載體時的作用機製,包括電子導電性的提升、機械穩定性的增強以及促進中間産物的快速脫附。此外,還深入分析瞭電催化劑在長期運行中麵臨的去活化問題(如團聚、溶解、氧化),並提齣瞭通過塗層保護和惰性基底結閤等方式來提高耐久性的工程措施。 2.4 原位/準原位錶徵技術 準確理解催化劑在工作狀態下的真實結構和電子態是突破性能瓶頸的前提。本部分詳細介紹瞭多種原位/準原位錶徵技術,如同步輻射X射綫吸收譜(XAS)、原位透射電子顯微鏡(TEM)和在綫質譜聯用技術。通過這些技術獲得的動態信息,我們得以揭示催化劑的“工作態”結構,從而指導更具針對性的材料設計。 第三部分:麵嚮特定應用的器件集成與優化 本部分將視角從材料轉移到完整的能量轉換器件,關注如何將高性能催化劑有效地集成到實際應用係統(如電解水製氫、二氧化碳還原、金屬-空氣電池)中。 3.1 電解槽與反應器設計 成功的能量轉換依賴於優化的反應器設計。本書詳細介紹瞭不同類型電解槽(如全離子交換膜、堿性電解槽)的結構特點和傳質特點。特彆關注瞭膜/電極組件(MEA)的製備技術,包括漿料配方、塗布工藝和三維傳輸通道的構築,以確保反應物的高效供應和産物的快速移除。 3.2 性能衰減模型與壽命預測 器件的長期穩定性是商業化的核心挑戰。本章建立瞭係統性的性能衰減分析框架,涵蓋瞭電化學、熱力學和機械應力導緻的失效模式。討論瞭如何利用加速老化測試(Accelerated Stress Test, AST)來模擬長期運行,並構建瞭基於機器學習和物理模型耦閤的壽命預測方法,為器件的可靠性設計提供數據支撐。 3.3 係統集成與能量效率提升 最終,本部分探討瞭器件在整個能源係統中的定位。分析瞭係統層麵的能量管理策略,如熱管理、水管理和電能質量控製對整體效率的影響。通過案例研究,展示瞭如何通過優化係統集成設計,最大限度地減少寄生損失,實現能源的高效、穩定轉化。 本書適閤對象: 能源材料、電化學工程、應用化學、物理化學等領域的本科高年級學生及研究生。 從事新型電池、燃料電池、電解水、電催化領域研發的科研人員。 相關産業的技術工程師和産品開發人員。

作者簡介

目錄資訊

讀後感

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用戶評價

评分☆☆☆☆☆

這本書的內容組織方式,讓我這個在工業界摸爬滾打多年的工程師感到非常受用。它不像傳統學術著作那樣過於側重基礎理論的推導,而是將大量的篇幅放在瞭實際應用和工程放大(Scale-up)的挑戰上。例如,書中關於膜電極組件(MEA)製備工藝參數對長期穩定性的影響分析,簡直就是一本“避坑指南”。它詳細列舉瞭不同漿料配方在不同剪切速率下的流變學特性,以及這些特性如何直接關聯到電池堆的均勻性和功率密度衰減率。我特彆欣賞作者引入的“故障樹分析法”來評估商業化電池壽命的可靠性,這種自上而下的係統工程思維,對於我們這些需要將實驗室成果轉化為穩定産品的從業者來說,是無價的寶貴經驗。它成功地架起瞭理論化學與工程實踐之間那道看不見的鴻溝。

评分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計著實讓人眼前一亮,那種低調的奢華感,尤其是封麵的材質處理,摸上去有種獨特的顆粒感,與書名所暗示的硬核科技主題形成瞭有趣的對比。我拿到手的時候,立刻被它散發齣的專業氣息所吸引,感覺不像是一本純粹的教科書,更像是一部精心策劃的工業藝術品。內頁的排版布局也極其考究,圖錶和公式的穿插安排非常流暢,即便是麵對復雜的高級化學方程式,也能保持視覺上的舒適度,這在動輒枯燥乏味的專業書籍中實屬難得。光是翻閱前幾章的緒論部分,就能感受到作者在內容組織上的匠心獨運,他們似乎在用一種近乎文學性的筆觸來描繪材料科學的演進曆程,而非簡單地羅列數據。這種對細節的極緻追求,讓我對後續內容的深度和廣度充滿瞭無限的期待,我相信這本書在物理呈現上就已經超越瞭同類産品,成為書架上一個亮眼的存在。

评分☆☆☆☆☆

從一個資深研究人員的角度來看,這本書的最大亮點在於其批判性思維的引入。它沒有把現有的主流技術路綫奉為圭臬,而是大膽地對一些被廣泛接受的“金科玉律”提齣瞭質疑,並提供瞭替代性的視角。例如,對於貴金屬催化劑中載體效應的傳統解釋,書中通過引入新的錶麵電子轉移模型,展示瞭載體-活性位點相互作用的潛在新機製。這種敢於挑戰權威、鼓勵獨立思考的學術風範,是這本書最讓我敬佩的地方。它促使讀者不僅僅是接受書本上的知識,更重要的是要學會如何像作者一樣,去審視、去質疑、去構建全新的理論框架。這本書更像是一位博學的導師,在你耳邊低語,引導你走嚮更深、更廣闊的探索之路。

评分☆☆☆☆☆

說實話,這本書的閱讀體驗是極具挑戰性的,但這種挑戰性恰恰體現瞭它的價值所在。它不像市麵上那些迎閤大眾興趣的科普讀物那樣試圖用簡單的比喻來簡化復雜的過程。相反,它要求讀者必須具備紮實的化學熱力學和量子力學背景纔能真正領會其精髓。我發現,很多章節的討論都建立在對最新高水平期刊論文的深度綜述之上,有些甚至是對尚未完全解決的前沿科學問題的直接探討。這導緻我閱讀時必須頻繁地查閱參考資料,甚至需要迴溯我大學時期的物理化學筆記。但正是這種高強度的思維拉扯,極大地拓寬瞭我對材料科學邊界的認知。它不是在教你“是什麼”,而是在教你“為什麼是這樣”以及“如何纔能超越現有認知”。

评分☆☆☆☆☆

我是一位剛踏入電化學領域的研究生,被推薦閱讀這本權威著作來建立我的理論基礎。坦白說,初次接觸時,我被其中一些深度解析的章節給“震撼”到瞭。它沒有迴避那些晦澀難懂的理論前沿,反而以一種近乎挑戰讀者的姿態,深入剖析瞭活性位點構築的最新進展和催化劑失活機製的微觀動力學。特彆是關於非貴金屬催化劑的電子結構調控部分,作者引用瞭大量的尖端計算模擬結果,這對我理解實驗數據背後的物理意義起到瞭決定性的作用。我花瞭整整一個周末,纔勉強消化瞭其中關於氧還原反應(ORR)的過渡金屬氮化物(TMDs)的討論,那種邏輯的嚴密性和推導的步步為營,讓人不得不佩服作者在知識體係構建上的深厚功力。這本書絕對不是那種走馬觀花的入門讀物,它是為你準備瞭一把精密的“手術刀”,讓你能切開現象的錶層,直達反應的內核。

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