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　　能源问题是当今社会发展所面临的重要问题，节能减碳已成为当前工业生产企业的重要任务。以物质为载体的能量转化与转移过程，很多都以化学化工知识为基础。

　　当今能源化工技术的特点是多学科交叉、多种新技术应用所形成的全方位的研究体系。本书主要涉及现代能源中的化学与化工问题，从化学与化工学科的视角对现代能源的开发与利用做较全面的介绍和剖析，探讨化学与化工在现代能源中交叉渗透的情况，并针对能源中的化学化工问题作有系统的阐释。

本书特色

　　可作为化学工程与制程方法、应用化学、轻化工程等本科专业的教材，也可作为相关企业、技术部门工程技术人员的参考书籍。

校订者简介

马振基

　　现任：国立清华大学化工系讲座教授

　　学历：
　　国立成功大学化工学士（1969）
　　美国北卡罗莱纳州立大学化工硕士（1975）
　　美国北卡罗莱纳州立大学化工博士（1978）

　　经历：
　　美国孟山都公司（Monsanto Co.）
　　资深工程师（1977~1979）
　　美国洛式公司（Lord Corp.）
　　资深研究员（1979~1980）
　　美国飞利浦石油公司（Phillips Petroleum Co.）
　　高级材料工程师（1980~1984）
　　国科会及国立清华大学化工所客座专家（1984~1986）
　　经济部科技顾问室及技术处顾问（1990~1998）
　　国科会工程中心专利研究员（1991~2006）
　　国科会科技权益委员会委员（1995~2006）
　　国立清华大学研发处副研发长（2000~2002）
　　教育部科技顾问室顾问及领域召集人（2001~2006）
　　财团法人自强工业科学基金会执行长（2003~2006）
　　国立清华大学讲座教授(2009~迄今)

现代材料科学前沿探索：从基础理论到前沿应用 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，探索现代材料科学领域最前沿的研究进展与核心应用。我们聚焦于材料的微观结构、本征性能、以及在实际工程环境中的宏观行为，旨在构建一个从基础理论到尖端应用的知识体系。全书结构严谨，内容翔实，适合材料科学、物理学、化学、以及相关工程技术领域的高年级本科生、研究生以及专业研究人员深入研读。 --- 第一部分：先进材料的结构与表征基础 本部分奠定了理解现代材料科学的基石，重点讨论了材料的微观结构特征，以及如何利用尖端技术对其进行精确表征。 第一章：晶体结构与缺陷工程 详细阐述了晶体学的基本原理，包括布拉维点阵、晶体学符号以及晶体结构对材料宏观性质的决定性影响。我们深入探讨了位错、空位、间隙原子和晶界等各种晶体缺陷的形成机制、运动学及其对材料力学性能（如屈服强度、塑性、疲劳和蠕变）的影响。特别关注了如何通过“缺陷工程”来设计具有特定功能的新型晶体材料，例如高熵合金中的无序效应。 第二章：非晶态与纳米尺度材料 本章转向非晶态材料，如玻璃、金属玻璃和聚合物非晶区。探讨了液体的过冷、玻璃化转变温度（Tg）的物理意义以及非晶态结构对材料韧性和特定功能（如形状记忆效应）的贡献。随后，重点分析了纳米材料的独特性能——尺寸效应、表面能效应和量子限域效应。通过对纳米颗粒、纳米线和薄膜的讨论，阐述了如何通过控制维度来调控电子、光学和催化性能。 第三章：先进表征技术概览 系统介绍了用于解析材料微观结构和化学成分的关键分析工具。内容涵盖了： 1. 电子显微学（SEM/TEM/STEM）： 重点讲解高分辨透射电镜（HRTEM）在原子尺度成像中的应用，以及能量分散X射线谱（EDS）和电子能量损失谱（EELS）在元素分析和化学态研究中的作用。 2. 衍射技术（XRD/SAXS）： 阐述X射线衍射在晶相识别和晶格参数测定中的经典应用，并引入小角X射线散射（SAXS）对纳米尺度相分离和孔隙结构的探测能力。 3. 光谱学方法： 深入分析拉曼光谱、红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），如何提供关于化学键合、分子振动模式和表面电子结构的敏感信息。 --- 第二部分：功能性材料的原理与设计 本部分将研究重点转向具有特定电、磁、光或生物学功能的先进材料的设计原理和制备工艺。 第四章：半导体材料与电子器件 本章深入探讨了半导体物理学的核心概念，包括能带理论、载流子输运机制（漂移与扩散）、掺杂效应和PN结的形成。详细分析了硅基、III-V族（如GaAs）和新兴的二维半导体材料（如过渡金属硫化物）的特性。内容延伸至光电子器件的基础，如LED、激光器和光电探测器的基本工作原理。 第五章：磁性材料与信息存储 聚焦于铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的微观起源，特别是交换作用和磁各向异性。讨论了经典磁性材料（如永磁体）的性能指标（矫顽力、剩磁），并深入分析了现代信息存储技术背后的材料科学，包括磁阻效应（GMR和TMR）在自旋电子学中的应用，以及畴壁运动在新型存储器（如MRAM）中的控制策略。 第六章：先进陶瓷与复合材料 陶瓷材料因其耐高温、耐腐蚀和高硬度的特性而被广泛应用。本章讨论了陶瓷的离子键和共价键特性，以及引入第二相（如碳化硅、氮化硅）以增强韧性的机制。重点介绍纤维增强复合材料（FRCs）的力学建模，包括界面作用对宏观强度和疲劳寿命的影响，以及三维编织技术在航空航天结构件中的应用。 第七章：高分子科学与软物质 从聚合物的合成、分子量分布（分散度）到其宏观流变学特性进行全面阐述。详细讨论了高分子链的构象、玻璃化转变和结晶行为。本章还涵盖了智能高分子材料，如形状记忆聚合物、自修复材料以及用于药物缓释的生物相容性水凝胶的设计原则。 --- 第三部分：前沿应用与可持续发展挑战 本部分关注当前材料科学领域最活跃的研究方向，以及材料在能源、环境和生物医学领域面临的挑战与机遇。 第八章：能源转化与储存材料 深入分析了驱动全球能源转型的关键材料： 1. 光伏材料： 详细比较了晶体硅、薄膜太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池的效率、稳定性与制造成本，着重讨论了缺陷钝化和电荷传输层的设计。 2. 电化学储能： 侧重于锂离子电池（LIBs）的电极材料（正极、负极、电解质）的设计思路，以实现高能量密度和长循环寿命。探讨了下一代固态电池和钠离子电池的材料挑战。 3. 催化材料： 探讨负载型金属催化剂、单原子催化剂和MOFs（金属有机骨架）在燃料电池和电催化析氢/析氧反应中的作用机理。 第九章：生物材料与组织工程 本章探讨了材料与生命系统界面的科学。内容包括生物相容性、生物可降解性、机械匹配性等关键设计参数。重点研究了用于骨替代、软组织修复和药物递送的先进生物材料，如仿生矿化材料和水凝胶支架。此外，还讨论了材料表面功能化技术，以精确调控细胞黏附、增殖和分化。 第十章：材料的计算模拟与人工智能辅助设计 介绍现代计算材料学的基础方法，包括密度泛函理论（DFT）在预测电子结构和反应路径中的应用，以及分子动力学（MD）模拟在研究材料动力学过程中的作用。最后，本章探讨了机器学习（ML）和人工智能（AI）如何被应用于高通量材料筛选、性能预测和新材料逆向设计，加速研发进程。 --- 总结 本书不仅提供了对现代材料科学核心知识的扎实掌握，更重要的是引导读者建立起从原子尺度到宏观应用的全景式思维。通过对结构-性能-处理关系的深入剖析，读者将能够更有效地参与到下一代先进功能材料的创新与开发工作中。本书强调交叉学科的融合，为应对21世纪的工程和技术挑战提供了坚实的材料科学基础。

前　言i

第一章 绪　论 001
1.1 能量与能源 003
1.1.1 能量及其形式 003
1.1.2 能源及其种类 005
1.2 能源与化工 007
1.3 能源化工现状与前景 010

第二章 能量的相互转化原理 013
2.1 热力学基础 014
2.1.1 能量守恆原理 014
2.1.2 能量转化的限度 019
2.1.3 能量转化的推动力 023
2.2 化学能 029
2.2.1 化学能的本质 029
2.2.2 化学能的释放 034
2.2.3 化学能转化的限度 038
2.3 热能向化学能的转化 042
2.3.1 化学热管 043
2.3.2 化学热泵 045
2.4 光能向化学能的转化 047
2.4.1 概述 047
2.4.2 光合作用 051
2.4.3 生物质能 052
2.5 能的变换 056
2.6 有效能 061
2.6.1 有效能的概念及有效能的损耗 061
2.6.2 物理有效能与化学有效能 069
2.6.3 工业制程的有效能分析 078

第三章 太阳能 083
3.1 概述 084
3.2 太阳能热利用 084
3.2.1 基本原理 085
3.2.2 太阳能热利用系统 089
3.3 太阳能光电转换技术 093
3.3.1 晶体硅太阳能电池 095
3.3.2 非晶硅太阳能电池 108
3.3.3 化合物半导体太阳能电池 121
3.3.4 奈米晶化学太阳能电池 123
3.4 太阳能化学能转化技术 129
3.4.1 光合作用 129
3.4.2 光化学作用、光催化水解制氢 133
3.4.3 太阳能、高温热化学反应 135

第四章 生物质能源 139
4.1 概述 140
4.1.1 生物质 140
4.1.2 生物质能 140
4.1.3 生物质的组成与结构 141
4.1.4 生物质转化利用技术 145
4.2 生物质气化 149
4.2.1 生物质气化及其特点 149
4.2.2 生物质气化原理 152
4.2.3 生物质气化制程方法 154
4.2.4 生物质气化发电技术 159
4.3 生物质热解技术 162
4.3.1 生物质热解及其特点 162
4.3.2 生物质热解原理 163
4.3.3 生物质热解制程方法 167
4.3.4 生物质热解产物及应用 173
4.4 生物质直接液化 176
4.4.1 生物质直接液化及其特点 176
4.4.2 生物质直接液化制程方法 176
4.4.3 生物质直接液化产物及应用 184
4.5 生物燃料乙醇 186
4.5.1 生物燃料乙醇及其特点 186
4.5.2 淀粉质原料制备生物燃料乙醇 187
4.5.3 乙醇发酵制程方法 189
4.5.4 纤维质原料制备生物燃料乙醇 191
4.5.5 生物燃料乙醇的应用 196
4.6 生物柴油 197
4.6.1 生物柴油及其特点 197
4.6.2 化学法转酯化制备生物柴油 199
4.6.3 生物催化法生产生物柴油 207
4.6.4 超临界法制备生物柴油 210
4.6.5 生物柴油的应用 212
4.7 沼气技术 215
4.7.1 沼气的成分和性质 215
4.7.2 沼气发酵微生物学原理 216
4.7.3 大中型沼气工程 220
4.7.4 沼气发酵的综合利用 229

第五章 风　能 235
5.1 风能资源 236
5.1.1 风能资源分佈的一般规律 236
5.1.2 风能资源的特性 238
5.1.3 中国风能资源 240
5.2 风能利用原理 242
5.2.1 风力机简介 242
5.2.2 风力机工作原理 242
5.3 风力发电 245
5.3.1 关键设备及工作原理 246
5.3.2 离网风力发电 253
5.3.3 併网风力发电 254
5.4 风力发电设备中的材料 255
5.4.1 风力发电的叶片材料 255
5.4.2 风电设备的铸件材料 258
5.4.3 风力发电机塔架的防腐材料 259
5.4.4 风力发电机塔架的质量要求 260

第六章 氢　能 263
6.1 氢的应用 264
6.2 氢的制取 265
6.2.1 天然气制氢 266
6.2.2 煤制氢 275
6.2.3 水电解制氢 276
6.2.4 生物质制氢 283
6.2.5 太阳能制氢 289
6.2.6 核能制氢 295
6.2.7 等离子体化学法制氢 297
6.3 氢的储存 305
6.3.1 高压气态储氢 305
6.3.2 冷液化储氢 305
6.3.3 金属氢化物储氢 306
6.3.4 碳质材料储氢 315
6.3.5 金属有机结构化合物储氢 320
6.3.6 有机液体储氢 324

第七章 燃料电池 331
7.1 概述 332
7.2 燃料电池的一般原理 335
7.3 质子交换膜燃料电池 336
7.3.1 PEMFC的工作原理与结构 337
7.3.2 PEMFC的质子交换膜 339
7.3.3 PEMFC的催化剂 341
7.4 直接甲醇燃料电池 347
7.4.1 DMFC工作原理和基本结构 348
7.4.2 DMFC的分类 350
7.4.3 DMFC的研究进展及存在问题 352
7.4.4 DMFC阳极催化剂的研究进展 359
7.4.5 DMFC阴极催化剂的研究进展 361
7.4.6 催化剂的主要制备方法 365
7.4.7 DMFC膜电极集合体（MEA）的研究进展 366
7.4.8 阴极水管理研究 379
7.5 微生物燃料电池 380
7.5.1 微生物燃料电池的定义与分类 381
7.5.2 MFC的特点 386
7.5.3 MFC的研究历史 387
7.5.4 MFC的现有改进技术 390
7.5.5 MFC的发展趋势 391
7.5.6 MFC的应用前景 392

第八章 其他新型能源 407
8.1 其他新型能源的概念与分类 408
8.2 地热能 409
8.2.1 概述 409
8.2.2 地球的内部构造 410
8.2.3 地热能的来源 411
8.2.4 地热资源 413
8.2.5 地热能的利用 424
8.2.6 地热能利用的限制因素 437
8.2.7 中国地热能发展现状和发展趋势 439
8.3 天然气水合物（可燃冰） 441
8.3.1 可燃冰资源及其特点 443
8.3.2 国际上天然气水合物的勘探和开发动态 445
8.3.3 中国的相关活动和资源量估计 449
8.3.4 可燃冰的开採技术现状 450
8.3.5 天然气水合物的研究现状与利用趋势 451
8.4 核能 453
8.4.1 概述 453
8.4.2 原子核子物理基础 454
8.4.3 商用核电技术 459
8.4.4 核能的新纪元 464
8.4.5 未来的新型核能 470
8.5 海洋能 476
8.5.1 潮汐能及其开发利用 477
8.5.2 波浪能及其开发利用 479
8.5.3 海流能及其开发利用 480
8.5.4 海洋温差能及其开发利用 481
8.5.5 海洋盐度差能及其开发利用 483

评分☆☆☆☆☆

这本《新能源与化工概论》真是让我眼前一亮，也让我对这个领域有了全新的认识。我一直对那些能改变世界的科技充满好奇，而新能源和化工无疑是当今最热门、也最具潜力的两个交叉领域。从书的封面设计就透着一股专业和前沿的气息，精炼的标题更是直接点明了其核心主题，让人迫不及待想翻开阅读。阅读过程中，我惊喜地发现，作者并没有将内容局限于枯燥的技术堆砌，而是巧妙地将宏观的国家发展战略、全球能源转型的大背景，与微观的化学原理、具体的新能源技术应用相结合。比如，在讲述太阳能发电的部分，书中不仅深入浅出地解释了光伏效应的物理基础，还详细介绍了不同类型太阳能电池的结构、材料选择以及效率提升的研究进展。更难得的是，作者还穿插了许多实际案例，比如全球领先的太阳能电站项目，以及其在解决偏远地区电力供应、降低碳排放方面所发挥的关键作用。这让我深刻理解了理论知识如何转化为实际生产力，以及这些技术对社会进步的深远影响。

评分☆☆☆☆☆

《新能源与化工概论》这本书给我带来的最大启发，是让我看到了科技的无限可能。书中对于一些前沿的新能源技术，如核聚变、碳捕获与利用（CCUS）以及人工智能在能源管理中的应用，都进行了非常有深度和广度的探讨。我原本以为这些离我们还很遥远，但通过书中详细的原理介绍、技术路线图以及相关的研究进展，我发现这些技术正在以前所未有的速度发展，并且已经开始对我们的生活产生影响。例如，在介绍CCUS技术时，书中不仅解释了其化学反应机理，还列举了多个正在实施的工业化项目，以及其在减缓气候变化方面的潜在作用。这本书让我认识到，未来的能源格局将是多元化的、智能化的，而化工技术将在其中扮演至关重要的角色，为能源的可持续发展提供强大的技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

《新能源与化工概论》这本书给我带来的阅读体验可以用“茅塞顿开”来形容。我之前对新能源的认知比较碎片化，而这本书则像一位经验丰富的向导，为我勾勒出了一个清晰而完整的能源蓝图。书中对各种新能源技术，从最基础的原理到最前沿的应用，都进行了深入浅出的介绍。例如，在讲解地热能时，书中不仅解释了地球内部的热量来源，还详细介绍了不同类型的地热发电技术（如干蒸汽、闪蒸、双循环系统），以及其在全球范围内的应用案例。更令我印象深刻的是，书中还探讨了地热能开发可能面临的挑战，如资源评估、环境影响以及经济可行性等，并提出了相应的对策。此外，书中对化工在能源领域的贡献也进行了详细的梳理，让我明白了许多看似“高大上”的新能源技术背后，都离不开精密的化工工艺和先进的材料支撑。

评分☆☆☆☆☆

我一直对可持续发展和绿色化学有着浓厚的兴趣，而《新能源与化工概论》这本书恰好满足了我的求知欲。它不仅仅是关于“新能源”，更是深入探讨了“化工”在新能源发展中所扮演的关键角色。书中对于新型催化剂的研究、高分子材料在电池隔膜和太阳能电池组件中的应用、以及碳捕获与利用（CCUS）技术的化学原理，都进行了详尽而精彩的阐述。我尤其对书中关于“绿色化工”的章节印象深刻，作者通过列举一系列实际的工业案例，生动地展示了如何通过优化工艺、使用可再生原料、减少有毒有害物质排放等方式，实现化工产业的绿色转型。例如，在介绍生物基化学品时，书中不仅说明了其来源，还详细分析了其在塑料、溶剂、医药等领域的应用前景，以及其相对于传统石化产品的环保优势。这本书让我看到，化工产业并非总是与污染挂钩，而是可以通过科技创新，成为实现可持续发展的强大驱动力。

评分☆☆☆☆☆

我购买《新能源与化工概论》这本书，主要是想了解当前化工行业在新能源领域的具体应用和发展方向。阅读后，我发现这本书远超我的预期。它不仅为我梳理了新能源的主要类型，如太阳能、风能、水能、地热能、生物质能、氢能等，还深入剖析了这些能源的产生原理、技术现状、以及未来发展趋势。更令我惊喜的是，书中对化工在这些新能源技术中的支撑作用进行了详细的解读。例如，在分析风力发电时，书中不仅讨论了风力发电机的结构和工作原理，还重点介绍了用于制造风力发电机叶片的先进复合材料，以及这些材料的性能要求和生产工艺。同样，在介绍电池技术时，书中也详细阐述了不同类型电池（如锂离子电池、钠离子电池、固态电池等）的电化学原理、正负极材料、电解质的化学组成和特性，以及这些材料的研发和生产过程。这种将能源技术与材料科学、化学工程紧密结合的叙述方式，让我对新能源的理解更加立体和深刻。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对社会发展和科技进步都非常关注的读者，《新能源与化工概论》这本书正好契合了我的兴趣点。它不仅仅是一本技术手册，更是一本关于如何用科技解决现实问题的思考录。书中对于能源安全、环境保护、以及经济可持续发展等宏观议题的探讨，都与新能源和化工的发展紧密相连。我尤其喜欢书中关于“循环经济”在新能源领域的应用分析，作者通过深入浅出的讲解，让我理解了如何通过优化产品设计、提高资源利用效率、以及建立有效的回收体系，来构建一个更加绿色和可持续的能源产业链。例如，在介绍废旧电池的回收与再利用时，书中详细阐述了不同回收方法的化学原理、经济效益以及环保价值，并探讨了如何利用回收材料来制造新的电池，形成一个闭环。这种将技术创新与社会责任相结合的视角，让这本书更具价值。

评分☆☆☆☆☆

我原本以为《新能源与化工概论》会是一本比较技术向的书籍，可能会充斥着各种复杂的公式和晦涩的专业术语，但事实证明我的担心是多余的。这本书的叙述方式非常流畅，而且逻辑清晰，即使我不是化工领域的专业人士，也能很轻松地跟上作者的思路。例如，在讨论生物质能时，书中没有直接抛出复杂的生物化学反应方程式，而是先从生物质的来源、种类，以及其作为一种可再生能源的优势开始介绍。然后，循序渐进地讲解了生物质转化为能源的几种主要途径，如热化学转化（燃烧、气化、液化）和生物化学转化（发酵、厌氧消化）。对于每种转化方式，书中都配有生动形象的图示和模型，清晰地展示了其反应过程和产物。最让我印象深刻的是，书中还探讨了生物质能利用过程中可能遇到的挑战，比如土地利用的竞争、可持续性问题以及成本效益等，并提出了相应的解决方案和未来的发展方向。这种既有广度又有深度的解读，让我能够全面而深入地理解生物质能在能源结构中的地位和潜力。

评分☆☆☆☆☆

对于《新能源与化工概论》这本书，我最大的感受就是它非常“接地气”。作者在写作过程中，似乎始终将读者的视角放在首位，努力用最直观、最易懂的方式来呈现复杂的概念。比如说，在介绍氢能作为一种清洁能源时，书中没有一开始就陷入到电解水制氢、天然气重整制氢的技术细节里，而是先从“为什么我们需要氢能”这个问题入手，深入分析了当前化石能源面临的危机，以及发展新能源的紧迫性。然后，才引出氢能的独特优势——零排放、高能量密度等。接着，再详细阐述了不同制氢技术的原理、优缺点、经济性和环境影响，并结合当前全球在氢能储运、基础设施建设方面的最新进展进行分析。我尤其喜欢书中关于氢燃料电池汽车的案例分析，它不仅仅是简单地描述了技术原理，更是通过对不同车型的性能对比、加氢站的布局规划、以及其在实际使用中的体验，让我仿佛亲身经历了一场绿色出行革命。这种将理论与实践紧密结合的写作方式，让这本书读起来既有启发性，又充满现实意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书《新能源与化工概论》的吸引力在于其内容的全面性和前瞻性，远远超越了我对一本“概论”类书籍的期待。作者并没有止步于对现有技术的介绍，而是着眼于未来，对能源领域可能出现的颠覆性变革进行了深入的分析和预测。书中关于“能源互联网”、“智能电网”以及“能源存储与分配的智能化”等章节，让我看到了科技如何重塑我们未来的生活方式。例如，在介绍能源互联网时，书中详细阐述了其核心理念、技术架构，以及其在提高能源利用效率、优化能源配置、促进可再生能源消纳等方面的巨大潜力。我特别欣赏书中对“分布式能源”和“微电网”的探讨，这让我看到了未来能源生产和消费模式的可能转变。同时，作者也并没有回避技术发展中的挑战，例如信息安全、标准统一等问题，并对这些挑战提出了自己的见解。这本书无疑为我打开了一扇通往未来能源世界的大门。

评分☆☆☆☆☆

从读者的角度来看，《新能源与化工概论》这本书最大的亮点在于其系统性和前瞻性。作者并没有将新能源和化工看作是孤立的学科，而是将它们有机地融合在一起，形成了一个宏大而完整的知识体系。书中对能源转型的长期战略进行了深入的探讨，分析了不同国家在新能源发展路径上的选择，以及化工技术如何支持这些路径的实现。例如，在介绍储能技术时，书中不仅涵盖了传统的电池储能，还详细讲解了抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等多种形式，并分析了各自的适用场景和技术瓶颈。更重要的是，作者还对未来的能源格局进行了大胆的预测，提出了对新型能源载体、智能电网、以及循环经济等概念的深刻见解。这让我感觉，阅读这本书不仅仅是在学习知识，更是在洞察未来，为迎接能源革命做好准备。