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自伏打电池被发明以来，电化学工程历经诸多演变与进展，现已成为应用科学中的重要技术。本书先勾勒电化学工程的基础原理，再循序介绍电化学技术如何应用于：

　　－金属冶炼
　　－化学品制造
　　－物件表面加工
　　－金属防蚀
　　－能源转换与储存
　　－电子元件制作
　　－环境保护
　　－生医感测

　　由于书中提供诸多跨领域的观点，使主题涵盖化学、材料科学、电磁学、古典力学与量子力学，非常适合化工、材料、环工、机械、电子、生医等工程领域的读者深入阅读，以发展成具有延伸专长能力的T型人才，或熟稔双重专长的π型人才。
 

好的，以下是一份关于《材料科学前沿进展》的图书简介，字数约1500字，旨在全面介绍该书内容，且不涉及“电化学工程应用”的主题。 --- 《材料科学前沿进展》图书简介 本书导言：新材料时代的驱动力 在21世纪，人类社会的进步与发展越来越依赖于基础材料科学的突破。从信息技术的飞速迭代到可持续能源的革命，再到生物医学的精准干预，无一不以新型、高性能材料的发现和应用为核心驱动力。《材料科学前沿进展》正是这样一部聚焦于当代材料科学研究热点、难点与未来方向的综合性学术专著。本书旨在为材料学、化学、物理学以及相关工程领域的科研人员、研究生和高级工程师提供一个全面、深入且富有洞察力的视角，理解当前材料科学最激动人心的研究领域，并掌握前沿材料的设计、合成与表征方法。 本书的编写团队汇集了国内外在不同材料子领域具有卓越建树的专家学者。我们力求在保持学术严谨性的同时，使内容结构清晰、逻辑连贯，便于读者快速掌握各个前沿分支的精髓。全书内容涵盖了从基础理论到尖端应用的广阔范围，重点剖析了如何通过原子、分子层面的调控，实现宏观性能的优化与创新。 --- 第一篇：结构与性能的深度耦合——新型晶体与非晶态材料 本篇聚焦于材料的微观结构如何决定其宏观性能，特别是针对那些在传统材料体系中难以实现的高性能需求。 第一章：高熵合金（HEAs）的设计原理与热力学 高熵合金作为近十年来材料科学中最受关注的领域之一，因其多主元体系带来的结构复杂性和独特的性能优势而备受瞩目。本章深入探讨了高熵合金的定义、形成规律，特别是“高熵效应”、“迟滞效应”、“偏离/局域结构效应”和“腐蚀/氧化阻滞效应”的微观机制。详细阐述了相稳定性的热力学判据（如 $Omega$ 因子和 $delta$ 参数），并介绍了如何通过计算热力学模拟（如CALPHAD方法）来预测新的高熵合金相。内容不仅包括了镍基、钴基等经典体系的最新进展，还拓展到具有特殊磁学或生物相容性的新型高熵氧化物和氮化物。 第二章：拓扑绝缘体与二维材料的能带工程 拓扑材料是凝聚态物理与材料科学交叉领域的前沿。本章系统介绍了拓扑绝缘体、拓扑半金属（如狄拉克/外尔半金属）的基本概念、时间反演对称性和强自旋轨道耦合的作用。重点讨论了如何通过表面/界面工程、应力调控或掺杂策略来精确调控这些材料的拓扑性质。此外，本章还详细分析了石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等二维材料的本征特性，以及通过层堆叠、垂直异质结构建实现功能集成的新思路。 第三章：无序与玻璃态材料的结构表征 与完美的晶体结构相对，无序材料（如金属玻璃、高分子玻璃）在室温下表现出独特的力学、电学和热学性能。本章侧重于描述先进的无序结构表征技术，如高能X射线衍射（XRD/PDF）、原子尺度断层扫描（APT）以及分子动力学模拟。深入解析了玻璃转变温度（$T_g$）、自由体积理论和剪切带形成机制，为理解和设计具有优异韧性或高弹性极限的非晶态材料提供了理论基础。 --- 第二篇：功能材料的跨界融合——光、声与力学的协同 本篇着眼于材料如何与光、声等外部环境信息进行高效交互，实现对能量和信号的精确控制。 第四章：超材料与负折射率光学器件 超材料（Metamaterials）通过设计亚波长尺度的结构单元，突破了传统材料的限制，实现了对电磁波、声波等物理波的异常响应。本章详细介绍了光子超材料的基础理论，包括负介电常数、负磁导率的实现路径。重点分析了表面等离子体共振（SPR）在超材料中的应用，以及如何利用人工结构实现完美吸收、隐身斗篷和超分辨成像（亚衍射极限成像）等前沿功能。 第五章：智能响应与形状记忆材料 智能材料能够感知外部环境变化（如温度、应力、光照、pH值）并作出可逆响应，是实现自适应结构和柔性电子的关键。本章详细阐述了镍钛合金、高分子水凝胶等材料的形状记忆效应和超弹性机理。特别关注了如何通过化学交联或动态共价键网络的设计，来提高聚合物基智能材料的响应速度和循环稳定性。此外，本章也探讨了磁致伸缩与电致活性聚合物在驱动器和传感器中的最新应用。 第六章：光热转换与能量管理材料 在可持续能源和热管理领域，高效的光热转换材料至关重要。本章深入研究了等离激元共振驱动的光热效应，特别是贵金属纳米结构和碳基材料（如碳纳米管、石墨烯）的界面热传输机制。内容包括：如何设计具有宽光谱吸收和高发射率的辐射冷却材料，以及在太阳能蒸汽生成、光热治疗等领域的集成化应用。 --- 第三篇：先进合成与计算驱动——材料学的未来路径 本篇探讨了现代材料科学所依赖的先进制造技术与强大的计算工具，这些工具正以前所未有的速度推动着新材料的发现。 第七章：增材制造（3D打印）中的材料行为学 增材制造技术，特别是激光熔融沉积（SLM）和电子束熔融（EBM），对材料的微结构演化提出了新的挑战。本章侧重于分析在快速加热-冷却循环下，金属粉末在打印过程中的熔化、液滴动力学、凝固速率和残余应力形成机制。重点讨论了如何通过优化工艺参数（如激光功率密度、扫描策略）来控制晶粒生长、消除孔隙率，从而获得性能优于传统铸锻件的增材制造部件。 第八章：高通量计算与机器学习在材料发现中的应用 计算材料学已成为新材料研发的加速器。本章详细介绍了密度泛函理论（DFT）在预测晶体结构稳定性、电子结构和力学性能中的应用。更进一步，本章重点阐述了如何利用高通量计算平台（High-Throughput Screening）结合机器学习（ML）模型来建立“结构-性能”的预测关系。内容包括：数据库构建、特征工程（Descriptor selection）以及深度学习模型在新型催化剂或电池电解质筛选中的实战案例。 第九章：界面与异质结的精准构筑 材料的性能往往由界面决定。本章探讨了通过原子层沉积（ALD）和分子束外延（MBE）等技术，实现对界面原子排列、化学计量比和缺陷态的精确控制。深入分析了晶体取向失配、界面应力和界面缺陷对电子/离子传输的影响，并以固态电池中的电极/电解质界面稳定化为例，展示了界面工程在解决实际工程问题中的关键作用。 --- 结语：展望与挑战 《材料科学前沿进展》不仅是对当前研究成果的系统梳理，更是对未来十年材料科学发展趋势的深刻预判。本书强调跨学科的融合与创新，鼓励读者从更广阔的视野去思考材料科学在能源、信息、健康等人类重大挑战中所能扮演的核心角色。我们期望本书能激发新一代材料科学家的创新思维，加速基础研究向实际应用的转化。

作者简介

吴永富

　　现任明志科技大学化学工程系副教授，研究专长为电化学工程、输送现象与光电半导体制程。1994年自台湾大学化学工程系毕业，2000年则于台湾大学化学工程所取得博士学位，后于工研院电子研究所与工研院平面显示中心担任研发主管，期间曾获颁研究成就奖与优良规划奖，拥有17件以上的专利，现则致力于培育人才之教学工作。
 

第一章 电化学工程原理
1-1 电化学反应器
1-2 热力学
1-3 动力学
1-4 输送现象
1-5 程序设计
1-6 总结

第二章 电化学应用于冶金工业
2-1电化学冶金
2-2 铝之电解冶金
2-3 钠与镁之电解冶金
2-4 锌之电解冶金
2-5 铜之电解冶金
2-6 其他金属之电解冶金
2-7 总结

第三章 电化学应用于化学工业
3-1硷氯制造
3-2氟气制造
3-3 氢气制造
3-4 无机化合物制造
3-5 有机化合物制造
3-6总结

第四章 电化学应用于表面加工业
4-1 电化学表面处理与加工
4-2 电解除油
4-3 电镀
4-4 电铸
4-5 无电镀(化学镀)
4-6 阳极氧化与电浆微弧氧化
4-7 电泳沉积
4-8 电化学加工
4-9 总结

第五章 电化学应用于腐蚀防制工程
5-1 金属腐蚀
5-2 腐蚀原理
5-3 腐蚀类型
5-4 腐蚀防制
5-5 总结

第六章 电化学应用于能源科技
6-1 一次电池
6-2 二次电池
6-3 燃料电池
6-4 液流电池
6-5 热电池
6-6 染料敏化太阳电池
6-7 电化学电容
6-8 总结

第七章 电化学应用于电子工业
7-1 薄膜蚀刻制程
7-2 金属内连线制程
7-3 电路板导孔电镀制程
7-4 硅穿孔制程
7-5 总结

第八章 电化学应用于环境工程
8-1 废水处理与资源回收
8-2 土壤处理
8-3 电透析分离
8-4 总结

第九章 电化学应用于生医工程
9-1 电化学感测
9-2 电化学诊断与治疗
9-3 总结

 

自序

　　由于本书的主题－电化学工程牵涉电磁学、化学、材料科学、古典力学与量子力学，具备跨领域（inter-disciplinary）之特质，故已广泛应用于化工、材料、机械、电子、环工与生医等领域。且自1990年代起，美国开始推行科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的整合教育，可简称为STEM教育，期望透过跨领域的学习，提升国民的科学素养，也培育出更有科技竞争力的人才。此理念吸引全球教育界群起发展跨领域学习，盼能将只重视单一专业的传统I型人才，逐步进化成熟稔双重专业的π型人才，但从I型人才进展到π型人才的路途中，还可以先延伸原本的专业，并吸收不同领域的新知，形成T型人才，之后再等待扩充时机。因此，本书循此理念，可扮演良好的T型人才训练教材，协助增长横向的串联能力，作为π型人才的基石。

　　新时代的产业鲜少可以归类至单一领域，通常在产业的专有名称出现之前，都曾经历跨领域的整合，因此读者可採逆向思考来迎接未来挑战，亦即登上职场舞台发挥之前，需先学习第二专长，但在兼具双重专长之前，仍要精通第一专长，而在熟稔第一专长的过程中更要站稳脚步。因此，笔者极力推荐化工背景的读者可先参考本丛书的第一部－《电化学工程原理》，从阅读中建立稳固的地基。对于电子或机械等其他工程背景的读者，则可选择《电化学工程应用》作为第二专长，进而开辟增加自身附加价值的通路。

　　发生在16世纪的科学革命是科学与工程进展中最重大的突破，其中的奠基者包括现代科学之父－伽利略，他透过能力有限的工具「以管窥天」，首先观察了月球的表面与木星的卫星，并且在研究后引出物理现象的数学模型，终而构成现代科学的发展基础。古希腊时代的埃拉托斯特尼(Eratosthenes)也曾有类似的贡献，他仅借由平面几何的构想就能推估地球的半径；高斯(Gauss)也只用三角测量的技术就能计算地表的曲率，他们都没有离开地面，却能洞悉天上与地下的讯息，仅凭既有知识，创造全新价值。再如英年早逝的伽罗瓦(Galois)，为了证明五次方程式没有公式解，因而提出「群」的概念，但却在他辞世之后大约百年，意外地点燃相对论与粒子物理学的火种，因为他承袭自伽利略的思维，用具体问题抽象化的方法来扎实理论基础，后人自然会站在他们的肩膀上适时开天辟地。

　　基于此理念，本书除了从第二章至第九章分别介绍电化学应用于金属冶炼、化学品制造、物件表面加工、金属防蚀、能源转换与储存、电子元件制作、环境保护与生医感测等技术，也格外强调可以转移的基础概念，因而在第一章简陈了电化学原理，说明现象本质之捕捉和物理模型之建立。虽然书中篇幅有限，无法全面论述各种领域的完整原理，但却可揣摩「以管窥豹」或「坐井观天」的情怀，效法格物致知的精神，单从电化学的角度切入，借由概念的转移，连结不同的范畴，并由此踏入相关领域后，引导读者发展成π型人才，创造新价值。

　　本书的完成必须感谢颜溪成教授与蔡子萱教授，一位是引领我入门的良师，一位是激励我深究的益友。我还必须感谢电化学领域中的三位泰斗，分别是着有《Electrochemical Methods》的Allen J. Bard教授、着有《Electrochemical Systems》的John Newman教授，以及着有《Industrial Electrochemistry》的Derek Pletcher教授，本书的经纬虽然参酌了海内外诸多相关书籍，但仍承袭上述三本巨着的思路。由于电化学领域发展的人士皆可谓麦克．法拉第(Michael Faraday)之学徒，所以笔者亦受先贤引领，不仅仿效了业余科学爱好者－法拉第积极参与无机化学之父－戴维(Humphry Davy)演讲之学习态度，亦临摹了书店装订工－法拉第将其演说内容制成笔记并装订成册的职业精神，谨以编撰此书来致敬上述师友和法拉第大师。此外，电化学工程不断随着时代演进，跨领域特质愈形浓厚，笔者也殷盼各界专家与菁英不吝赐予指教，协助修订本书内容，谨此致谢。
 

电化学工程(electrochemical engineering)涉及电能与化学能之间的转换，是一门结合了电学与化学的学问与技术。在已记载的科学史中，电化学的起源可追溯至1780年代。当时的义大利科学家Luigi Galvani在解剖青蛙后，偶然发现到蛙腿的肌肉收缩，促使他于1791年发表生物体内存在神经电流物质(nerveo-electrical substance)的理论，由此架起电学与化学之间的桥樑，并引燃学术界对电化学的研究兴趣。但在同一时期，Alessandro Volta却不赞成Galvani的构想，他转从金属材料的角度切入研究，随后使用了铜(Cu)和锌(Zn)制作出伏打电堆(Voltaic pile)，构成史上第一个连续产生电流的装置，同时也解释了Galvani的蛙腿收缩实验仅为托盘和刀片两种不同金属的偶然连接所致。在Volta之后，科学家开始利用电池探讨电流对物质的作用，例如William Nicholson和Anthony Carlisle使用电堆来电解水，发现在两个电极上不但会产生酸和硷，还出现了气体，后来才知道是氢气(H2)和氧气(O2)。在1807年，Humphry Davy成功地使用电解法制备出钾(K)和钠(Na)，后续还分离出钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)、硼(B)等元素，是史上发现最多元素的化学家。

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这本书的封面设计是那种比较经典的学术风格，深蓝色调，中间是银色的立体字体，显得很有分量。我拿到手的时候，就觉得它是一本厚实的著作，拿在手里沉甸甸的，预示着内容一定很丰富。我平时对工业生产过程中的化学反应以及如何通过工程手段进行优化和控制非常感兴趣，尤其是在能源领域，电化学的应用越来越广泛，从电池储能到电解水制氢，再到各种材料的电化学合成，都是当下热门的研究方向。我一直想找一本能够系统梳理这些应用的书，既要有理论基础的讲解，又要结合实际的工程案例。我翻了翻目录，看到里面涵盖了电化学电池、电解技术、电化学传感器、腐蚀防护等多个方面，感觉内容相当全面。特别是关于电化学在新能源领域的应用，比如锂离子电池的工作原理、不同类型电池的优劣势分析，还有太阳能光电化学转化以及燃料电池的最新进展，这些都是我特别想深入了解的。此外，我对电化学在环境治理方面的应用也很有期待，比如电化学水处理技术，能否高效去除水中的污染物，以及相关的设备设计和操作流程。这本书的篇幅看起来不小，说明作者在这方面投入了很多心血，希望内容能够深入浅出，既能满足专业人士的需求，也能让初学者有所收获。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在化工企业从事工艺开发的工程师，我深切体会到优化生产流程、提高产品质量、降低生产成本的重要性。电化学方法在很多化工生产环节都扮演着越来越重要的角色，比如电解合成、电化学精炼、电化学催化等。我一直在寻找一本能够为我提供更深入的电化学过程工程知识的书籍，特别是关于如何设计和操作电化学反应器，如何控制反应条件以获得最佳的产率和选择性，以及如何进行过程放大和优化。我希望这本书能够提供一些关于特定工业电化学过程的详细案例分析，例如，在电解氯碱工业中，如何优化隔膜的选择和电解槽的设计以降低能耗；在电化学合成有机物的过程中，如何选择合适的电极材料和电解液，以及如何控制电流密度和电压以提高目标产物的收率。此外，我也对书中关于电化学过程的监测与控制技术很感兴趣，比如如何利用在线分析仪器实时监测反应进程，以及如何通过先进的控制策略来确保生产的稳定性和高效性。这本书如果能为我提供宝贵的工程经验和技术参考，那将对我工作的开展有巨大的帮助。

评分☆☆☆☆☆

我是一名业余爱好者，对科学技术的发展总是充满了好奇心。最近，我迷上了电动汽车和储能系统，觉得这真是未来交通和能源的关键。我了解到电池技术是电动汽车的核心，而锂离子电池就是目前的主流。我一直想找一本能够让我彻底弄懂锂离子电池的工作原理、不同材料的优缺点、以及电池组的能量密度、功率密度、寿命等关键参数的书。我希望这本书能够用相对易懂的方式解释复杂的电化学过程，并且能介绍一些电池制造中的工程挑战和解决方案。除了电池，我也对能量存储的其他电化学技术很感兴趣，比如超级电容器，它们的充放电速度快，寿命长，在某些应用场景下有独特的优势。书中如果能对比和分析不同储能技术的特点，以及它们在电网储能、分布式能源接入等方面的应用前景，那就太棒了。我希望这本书能带我走进电化学储能的世界，理解科技如何驱动着我们的能源革命。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对环境保护和可持续发展充满热情的普通读者，我一直关注着各种能够减少污染、提高资源利用效率的新技术。我了解到电化学在水处理、废气净化以及废弃物资源化利用方面有着巨大的潜力。我最近在阅读一些关于工业废水处理的文章，其中提到了电化学氧化、电化学还原等技术，能够有效地降解一些难以处理的有机污染物，甚至回收有价值的金属离子。我希望这本书能详细介绍这些电化学环保技术的原理、工艺流程、设备构成以及实际应用案例。比如，对于电化学氧化技术，它能够降解哪些类型的污染物？常用的电极材料有哪些？反应的效率和能耗如何？对于电化学还原技术，它又有哪些独特的优势？此外，我也对书中可能涉及到的电化学方法在固废处理中的应用很感兴趣，例如，能否利用电化学技术将废旧电池中的有价金属回收，或者将危险废弃物转化为无害物质。这本书的出现，让我看到了电化学在绿色发展道路上的重要作用，希望它能提供一些切实可行的解决方案，让我更深入地理解这些技术如何造福我们的地球。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在材料科学领域工作的研究人员，平时的工作涉及到一些纳米材料的制备和表征，其中不少工艺都与电化学方法有关。我最近在研究一种新型的导电聚合物，在合成过程中需要精确控制电解液的成分、电极的几何结构以及反应条件，以获得具有特定形貌和性能的材料。我一直在寻找一本能够提供更详细的电化学合成策略和工程化指导的书籍。当我看到这本书的标题时，我立刻被吸引了，因为它明确提到了“电化学工程应用”。我希望这本书能提供一些关于如何放大实验室规模的电化学合成过程到工业生产的思路和方法，包括反应器设计、工艺流程优化、成本控制等方面的讨论。我也对书中关于电化学在材料表面改性方面的应用很感兴趣，比如如何通过电化学沉积、阳极氧化等技术来改善材料的耐腐蚀性、导电性或生物相容性。此外，书中如果能涉及一些先进的电化学分析技术在材料研发中的应用，例如循环伏安法、阻抗谱等在理解材料电化学行为中的作用，那对我来说将是极大的帮助。