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出版者:

作者:Durand-Vidal, S.

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2001-11

价格:$ 90.34

装帧:

isbn号码:9781402004063

丛书系列:

图书标签:

• Electrolytes
• Interfaces
• Electrochemistry
• Surface Chemistry
• Colloid Science
• Double Layer
• Electrochemical Interfaces
• Ion Transport
• Materials Science
• Nanomaterials
• Energy Storage

界面上的电荷传输：跨学科视角下的基础与前沿 本书导论 在现代材料科学、化学工程以及能源存储领域中，界面的行为与性质是理解宏观现象和指导功能器件设计的核心。无论是在电池、超级电容器、燃料电池，还是在复杂的催化反应体系中，电荷和离子的传输、界面处的势垒形成、双电层结构的演化，都深刻地决定了系统的效率和稳定性。本书《界面上的电荷传输：跨学科视角下的基础与前沿》，旨在系统性地梳理和深入探讨电荷在各种典型界面（如固体/液体、固体/气体、以及固/固界面）上的传输机制、动力学过程及其在实际应用中的工程挑战。 本书的结构设计遵循从基础物理化学原理到先进实验技术和模拟方法的逻辑递进。我们力求为不同学科背景的研究人员——包括电化学家、材料科学家、物理学家和化学工程师——提供一个全面且深入的参考框架。 --- 第一部分：界面电化学与物理化学基础 本部分聚焦于建立理解界面现象所需的理论基石。我们首先回顾了电化学热力学的基本概念，特别是能斯特方程在非标准条件下的修正，并重点讨论了溶剂化能、电荷转移能垒的量子化学基础。 第一章：界面结构与能量学 本章深入分析了不同类型界面的结构特征。对于电极/电解质界面，我们详细探讨了电荷在电极表面富集和电解质中离子排布形成的电双层（Electrical Double Layer, EDL）模型。从最初的亥姆霍兹（Helmholtz）模型到修正的古伊-查普曼（Gouy-Chapman-Stern）模型，我们考察了离子大小、溶剂化壳层以及表面粗糙度如何影响双电层的电容特性和零电荷点（Potential of Zero Charge, PZC）。此外，对固-固界面，如晶界或异质结，本章也引入了能带理论，阐述了费米能级匹配和界面态的形成对载流子注入和传输的影响。能量学部分，重点解析了界面功函数、工作函数以及电荷转移的能垒，为理解动力学奠定了基础。 第二章：电荷转移动力学与过渡态理论 电荷的实际传输过程是动态的。本章详细阐述了界面电荷转移的动力学理论，核心在于布朗-格林沃德（Butler-Volmer）方程及其在不同电位区间的简化形式（如Tafel方程）。我们将重点讨论弗西（Marcus）理论，用于定量描述电子在界面上的转移速率。书中详细推导了弗西方程中的各项参数——包括反应活化能、内区和外区重组能——以及它们如何受到溶剂极性、电荷的离域化程度和电极表面形貌的影响。对离子传输而言，我们考察了离子在电解质中的扩散（Fick定律）与界面处的激活扩散，并探讨了这些过程如何被界面吸附层所调制。 第三章：电解质的微观行为 本章将视角转向电解质一侧。在研究界面电荷传输时，电解质本身的性质至关重要。我们首先讨论了离子液体和固态电解质（如聚合物电解质或陶瓷电解质）中的离子迁移机制，包括跳跃导电（hopping conduction）和链段运动。对于溶液中的电解质，本书强调了离子关联（Ion Association）、溶剂化壳层的结构变化（如溶剂化动力学）与界面吸附之间的复杂关系。特别地，针对高电压应用，我们深入分析了电解液的电化学稳定性窗口及其分解产物在界面上的沉积行为（如SEI层的形成），这直接影响了电荷传输的长期稳定性。 --- 第二部分：先进表征技术与原位研究 理解界面现象的挑战在于其微观尺度和瞬态特性。本部分系统介绍了现代实验技术，它们如何“看清”界面结构和“测量”瞬态过程。 第四章：表面敏感的谱学技术 本章聚焦于利用光子和电子探测界面。内容包括：X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）在确定表面元素化学态和电子结构方面的应用；拉曼光谱（Raman）和表面增强拉曼散射（SERS）对吸附分子振动模式的识别；以及二次离子质谱（SIMS）对界面层元素分布的深度剖析能力。我们强调了这些技术在特定实验环境下（如高真空或受控气氛）进行测量的具体操作和数据解读的挑战。 第五章：电化学界面动态监测 动态过程需要时间分辨的监测工具。本章详细阐述了各种电化学技术：循环伏安法（CV）用于定性分析电荷转移的快慢；电化学阻抗谱（EIS）用于量化界面电阻、双电层电容和扩散阻抗，并重点讲解了如何利用阻抗谱拟合等效电路模型来分离界面过程。更进一步，本书讨论了脉冲电流技术和时间分辨光谱学（如瞬态吸收光谱）如何捕获极快（皮秒到微秒量级）的电荷注入和弛豫过程。 第六章：同步辐射与中子散射的高级应用 为探究界面在工作状态下的实时结构变化，本章介绍了利用同步辐射光源和中子散射的先进方法。包括：原位X射线衍射（XRD）和反射率（XRR）用于监测电极材料在充放电过程中的晶体结构演变和界面厚度变化；以及同步辐射吸收谱（XAS）用于确定特定元素的电子态和近邻结构。对于离子传输，中子衍射和准弹性中子散射（QENS）被用于直接探测固体和液体电解质中离子的扩散系数和运动模式。 --- 第三部分：界面工程与功能化 本部分将基础理论和表征技术应用于实际的材料设计和功能器件优化，重点讨论如何通过界面工程来提升性能。 第七章：电荷传输的调控策略：涂层与修饰 界面工程的核心目标是降低传输能垒或增加导电通道的稳定性。本章探讨了两种主要的调控策略：一是使用原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD）技术制备的超薄界面保护层（如氧化物或氮化物），分析它们如何钝化高活性表面、抑制副反应，并影响电荷注入效率。二是研究表面官能团化和分子自组装单层（SAMs），阐述如何通过精细控制分子偶极矩来调节界面电势，从而定向驱动电荷转移。 第八章：异质结与复合材料中的界面 在多组分系统中，界面是关键的连接点。本章专门研究了异质结界面对电荷分离和传输的影响。内容涵盖了半导体/半导体、金属/半导体以及催化剂纳米颗粒/载体之间的界面接触。我们详细分析了能带弯曲区（Space Charge Region）的形成及其在光电转换（如光催化剂或太阳能电池）中对电子-空穴分离速率的决定性作用。同时，讨论了如何通过界面缺陷工程来引入陷阱态，以促进特定反应路径的发生。 第九章：界面在储能器件中的挑战与展望 本书的最后一部分将理论和工程实践相结合，聚焦于高能量密度储能系统的界面问题。针对锂离子电池，我们深入剖析了高电压正极材料（如富锂锰基）的表面析氧和界面相变，以及在金属锂负极上锂枝晶的形成与界面阻抗增加的关系。对于固态电池，本章重点讨论了固-固界面接触不良导致的接触电阻问题，以及如何利用中间层或界面压力来优化离子接触。最后，展望了下一代电化学体系（如钠离子、钾离子以及水系电池）中界面化学的新兴挑战与研究方向。 --- 结语 《界面上的电荷传输：跨学科视角下的基础与前沿》旨在成为一本详实、严谨的参考书，它不仅阐述了界面电荷传输的“是什么”，更深入探究了“为什么”以及“如何去控制”。通过跨学科的视角整合，我们期望激发读者在材料设计、器件优化和基础物理理解上的创新思考。

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在众多关注电化学界面现象的书籍中，这本书最引人注目的一点是它对“异质性”的关注。传统的模型往往假设界面是均一平滑的，但作者花了大量篇幅探讨了真实材料表面必然存在的缺陷、晶界以及纳米尺度的形貌变化如何非线性地影响电解质的局部性质。特别是在讨论电解液分解和副反应的章节，作者非常细致地剖析了特定晶面（如某些金属氧化物的（100）面与（111）面）对离子吸附的差异性影响，并引入了拓扑学概念来描述界面的复杂性。这种细致入微的观察，让我深刻认识到，想要真正优化界面性能，就必须从宏观均相的理解跨越到微观不均匀性的精确控制，这为我改进电极涂层设计提供了全新的思路方向。

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这本书的实用性体现在它对实验表征方法的巧妙融合上。它没有将理论与实践割裂开来，而是紧密地将前沿的谱学技术，比如表面等离子体共振（SPR）和不同尺度的X射线吸收精细结构（XAFS），与界面电荷转移的理论模型结合起来。阅读到关于原位（in-situ）技术的部分时，我仿佛站在实验室里，亲眼见证了电极材料在充放电循环过程中表面化学环境的实时变化。书中详细阐述了如何利用这些技术数据来校准和验证理论计算的结果，这种“理论指导实验，实验反哺理论”的良性循环，极大地提升了这本书的指导价值。对于从事电化学器件研发的工程师来说，这本书提供的不仅仅是知识，更是一套如何严谨设计和解读界面实验的完整方法论。

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这本书的装帧设计简直是艺术品，封面采用了一种带有微妙纹理的哑光纸，触感极其细腻，拿在手里分量感十足，立刻就能感受到它内在内容的厚重与专业。主标题“Electrolytes at Interfaces”的字体选择非常现代且清晰，配合着封底那张似乎是从高倍电子显微镜下捕捉到的、色彩对比强烈的界面结构图，瞬间就抓住了我对电化学和材料科学领域前沿研究的好奇心。我尤其欣赏内页的排版，字体大小适中，行距舒适，大量的插图和示意图都以高分辨率清晰呈现，这对于理解复杂的分层结构和电荷转移机制至关重要。虽然内容本身极度专业，但书籍在视觉呈现上的用心，使得阅读过程不至于枯燥乏味。翻阅的每一步，都能感受到出版社在纸张选择、印刷质量以及装订工艺上所投入的巨大成本和匠心独运，这绝对是值得收藏的一本物理化学领域的重要著作。

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初次接触这本书时，我的第一印象是它在理论深度上的无情挑战，但随之而来的却是思维被彻底拓宽的震撼体验。它并非简单地罗列已知的界面现象，而是深入挖掘了电荷在不同电解质溶液与固体表面之间迁移和重组的微观动力学过程。作者似乎对热力学、动力学以及量子化学的交叉点有着近乎偏执的理解，书中对双电层结构（尤其是非对称离子环境下）的描述，远超出了标准教科书的范畴，它引入了复杂的非平衡态统计力学模型，试图去解释那些在实际电池或电容器运行中才显现出来的瞬时行为。我花了大量时间去消化那些关于溶剂化能与表面吸附势能的量化分析，发现这些分析为我目前在固态电解质界面（SEI）研究中遇到的瓶颈提供了全新的理论视角，感觉就像是获得了一把开启更深层次物理理解的万能钥匙。

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这本书的行文风格非常具有学者的严谨性，但又带着一种近乎传道士般的热情，引导读者去探索那些尚未完全解开的谜团。它并非一本结论性的参考书，而更像是一份充满前瞻性的研究路线图。在最后的几章，作者对未来电化学界面研究的十大挑战进行了大胆的预测和探讨，其中涉及到人工智能辅助下的界面预测以及极端条件下的电解质稳定性问题。这些讨论既发人深省，又让人感到振奋，它成功地将读者从已知的知识体系中拉了出来，推向了学科前沿的未知领域。读完此书，我感觉自己不仅获得了知识，更重要的是，被激发了一种强烈的求知欲和探索欲，迫不及待地想要投入到新的实验设计中去验证书中所提出的新假说。

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