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跨越边界的科学探索：一本关于前沿材料与能源转化的深度著作 书名：新材料驱动的绿色化学与可持续能源 作者：张伟 教授，李芳 博士 出版社：未来科学出版社 出版日期：2024年10月 --- 内容提要与深度导读 本书《新材料驱动的绿色化学与可持续能源》是一部立足于当代化学、材料科学和能源工程交叉前沿的综合性学术专著。它并非简单地罗列技术，而是深入剖析了如何通过创新材料设计与合成，解决人类社会面临的最紧迫的环境挑战和能源需求。全书结构严谨，逻辑清晰，内容覆盖面广，从微观的原子尺度设计到宏观的系统集成应用，为读者提供了一幅关于未来可持续化学系统的全景图。 本书的核心论点在于，下一代化学反应与能源转化系统的效率瓶颈，正日益被所使用的功能材料所决定。 因此，本书的重点聚焦于具有独特结构、形貌和电子特性的新型功能材料的研发及其在绿色化学过程中的应用。 第一部分：基础理论与前沿材料的分子工程 本部分奠定了全书的理论基础，并介绍了当前材料科学领域最尖端的设计理念。 第一章：量子尺度下的功能导向设计 本章详细阐述了如何利用密度泛函理论（DFT）等计算化学方法，精确预测和调控材料的能带结构、表面活性位点和催化性能。重点讨论了二维材料（如MXenes、氮化硼纳米片）的电子结构工程，解释了如何通过表面功能化来调节其费米能级，从而优化其对特定分子的吸附和活化能力。特别引入了“缺陷工程”的概念，展示了材料晶格缺陷如何成为高效的反应中心。 第二章：多孔晶体材料的结构调控 本书深入探讨了金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）的设计原理。与传统多孔材料不同，本书强调了动态可逆键合在构建“智能”多孔材料中的作用。详细分析了如何通过调节有机配体或金属节点的几何构型，实现孔径和孔道环境的精确调控，使其能够选择性地捕获或分离特定尺寸的气体分子（如CO2捕集），或者作为纳米反应器限制反应物的扩散路径，提高选择性。 第三章：异质结界面的构筑与协同效应 本章聚焦于不同材料组分界面处的物理化学现象。作者详细解析了p-n异质结、II型甚至Z型异质结的构建策略，并以光催化领域为例，阐述了界面电荷分离效率的提升机制。强调了界面能级匹配和载流子传输动力学研究的重要性，指出理想的异质结界面是实现高效能量转换的关键所在。 第二部分：绿色化学反应的材料驱动 第二部分将理论转化为实践，聚焦于新型材料在环境友好的化学合成与污染物消除中的应用。 第四章：高选择性催化剂与原子经济性反应 本章摒弃了对传统贵金属催化剂的过度依赖，转而深入研究了单原子催化剂（SACs）和非贵金属基纳米催化剂（如铁、铜、镍基催化剂）。详细分析了SACs在C-H键活化、选择性氧化还原反应中的独特优势，特别是其对反应路径的精准控制能力。内容涵盖了电催化和光催化合成氨（NH3）的最新进展，着重讨论了如何通过材料设计降低传统哈伯-博斯法的苛刻条件。 第五章：水处理与环境修复的先进吸附剂和膜技术 本章关注水资源的可持续利用。除了传统的活性炭，本书重点介绍了基于MOFs、COFs的高容量和可再生吸附剂在重金属离子和新兴污染物（如药物残留、内分泌干扰物）去除中的应用。此外，作者详述了用于海水淡化和废水深度净化的新型分离膜技术，特别是正渗透（FO）膜和具有自清洁能力的光催化抗污膜的材料创新。 第六章：二氧化碳的资源化利用 作为应对气候变化的核心议题，本章专门探讨了CO2从废气到高价值化学品或燃料的转化。重点介绍了用于CO2还原反应（CO2RR）的电催化剂和光催化剂的设计。阐述了如何通过调节催化剂表面对关键中间体（如COads）的吸附强度，实现对乙醇、甲酸或甲烷等特定产物的高效选择性生成，以及利用催化剂的热力学和动力学窗口来优化反应效率。 第三部分：可持续能源转化的材料前沿 第三部分聚焦于如何利用功能材料实现清洁能源的捕获、储存和高效利用。 第七章：下一代光伏技术的核心材料 本书没有停留在传统的硅基太阳能电池，而是将焦点投向了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的稳定性挑战与解决方案。作者从材料晶体缺陷和界面钝化的角度出发，详细分析了导致PSCs降解的内部机制（如离子迁移），并提出了基于新型二维/三维异质结、界面工程层和封装技术来提高其长期工作寿命的策略。此外，对染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的新型光敏剂和电解质材料也有深入的讨论。 第八章：高能量密度储能系统的电极材料创新 本章深入剖析了锂离子电池（LIBs）之外的储能系统。重点介绍了固态电解质的设计，包括聚合物基、硫化物基和氧化物基电解质的离子导电性机制和界面阻抗问题。同时，本书详尽讨论了钠离子电池（NIBs）和金属空气电池（如锌-空气电池）中的高性能正负极材料，强调了如何通过结构设计来克服体积变化大、循环稳定性差等核心瓶颈。 第九章：氢能的高效制备与储存 氢能被视为终极清洁能源。本章聚焦于水电解催化剂的研发，重点比较了碱性、酸性和中性条件下析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的最新进展，特别是基于非贵金属或过渡金属硫化物的界面修饰技术。在储存方面，书中探讨了高容量的金属有机框架（MOF）基材料和化学储氢材料（如氨硼烷）的吸附/脱附动力学平衡。 总结与展望 《新材料驱动的绿色化学与可持续能源》旨在成为连接基础研究与工业应用的桥梁。书中不仅提供了深入的科学原理，更注重展示材料创新如何驱动系统效率的根本性提升。本书的读者对象包括高年级本科生、研究生、从事催化、能源、环境科学和材料工程领域的研究人员和工程师。通过对前沿材料的系统性梳理和深入的案例分析，本书将激励读者以跨学科的视角，探索和构建更清洁、更可持续的未来化学体系。 --- 关键词： 功能材料、绿色催化、能源转化、光电化学、固态电池、MOFs、COFs、界面工程、二氧化碳捕集与转化。
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