光催化技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:361

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出版时间:2010-5

价格:99.00元

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isbn号码:9787030275820

丛书系列:

图书标签:

• 光催化
• 半导体光催化
• 环境污染治理
• 能源
• 材料科学
• 化学
• 纳米材料
• 水处理
• 空气净化
• 可再生能源

太阳能驱动的化学转化：新一代能源与环境解决方案 导言：面向可持续未来的能源与环境挑战 当前世界面临着日益严峻的能源短缺和环境污染问题。化石燃料的过度依赖不仅加剧了全球气候变暖，也带来了资源枯竭的风险。同时，工业和生活活动产生的污染物，如持久性有机污染物（POPs）和有毒重金属，严重威胁着人类健康和生态系统的稳定。因此，开发高效、清洁、可持续的能源转化和环境修复技术，已成为全球科学研究和技术创新的核心议题。 本书将聚焦于太阳能驱动的化学转化技术，特别是那些利用光能直接驱动化学反应，实现能源储存、污染物降解和资源回收的尖端方法。我们将深入探讨一系列先进的材料体系和反应机制，旨在为构建低碳、循环经济社会提供坚实的科学基础和工程蓝图。 --- 第一部分：光电化学催化的基础原理与前沿材料 本部分将系统梳理驱动光化学转化的基本热力学和动力学原理，并详细介绍实现高效光能捕获与电荷分离的关键材料。 第一章：光化学反应的能级匹配与驱动力分析 本章首先阐述光吸收、激子产生、电荷分离和转移的微观过程。我们将区分半导体、分子体系以及等离激元材料中光生载流子的命运。重点讨论如何通过能带工程（Band Engineering）或分子轨道调控，实现与目标反应的标准氧化还原电位的精确匹配，确保反应的有效驱动力。此外，还将涵盖光物理过程中的能量转移机制，如FRET（Förster Resonance Energy Transfer）和CT（Charge Transfer）过程在多组分体系中的作用。 第二章：新型半导体光催化剂的设计与合成 半导体材料是光催化技术的核心。本章将详述从传统氧化物（如$ ext{TiO}_2$）到新型窄带隙材料的演进路线。 2.1 传统与改性无机半导体： 深入分析$ ext{TiO}_2$的光响应局限性及其表面缺陷工程（如氧空位、晶格掺杂）对其光电性能的提升策略。讨论$ ext{Ta}_3 ext{N}_5$、$ ext{BiVO}_4$等非氧化物半导体在可见光驱动下的优势与挑战。 2.2 碳基与二维材料的融合： 探讨石墨烯、$ ext{g-C}_3 ext{N}_4$（石墨相氮化碳）以及过渡金属硫化物（TMDs）作为高效光吸收剂和载流子传输层的潜力。我们将聚焦于如何通过构建异质结（Heterojunctions）和界面工程来优化电荷分离效率，抑制电子-空穴复合。 2.3 有机-无机杂化材料： 重点介绍钙钛矿材料（Perovskites）在光电转化领域的突破性进展。分析其高光吸收系数、可调谐带隙的优势，同时讨论其在水溶液和光照条件下的稳定性问题及构筑稳定封装技术的必要性。 --- 第二部分：关键的太阳能驱动转化过程 本部分将聚焦于利用光催化和光电催化技术解决能源储存和环境治理的两大核心问题。 第三章：人工光合作用与燃料的合成 人工光合作用旨在模仿自然界中植物的光合作用，利用太阳能将廉价的原料（如水和$ ext{CO}_2$）转化为高能量密度的化学燃料。 3.1 水分解制氢（Hydrogen Evolution Reaction, HER）： 详细介绍光催化和光电催化体系中水的氧化（析氧反应，OER）和还原（析氢反应，HER）的动力学限制。重点讨论高效、低成本的非贵金属催化剂（如钴、镍、铁基化合物）在酸性、中性和碱性环境下的性能优化，以及对光生电子的有效利用路径。 3.2 $ ext{CO}_2$还原转化（$ ext{CO}_2$ Reduction Reaction, $ ext{CO}_2 ext{RR}$）： 探讨如何选择性地将$ ext{CO}_2$转化为甲醇、甲酸、$ ext{CO}$或甲烷等有价值的化学品。分析催化剂的表面结构对产物选择性的调控机理，并比较电化学、光电化学和光催化路线在能耗和环境友好性上的差异。 第四章：环境污染物的高级氧化与降解 本章着重阐述光催化技术在水处理和空气净化中的应用，特别是针对难降解有机物的去除。 4.1 有机污染物的光催化矿化： 深入研究活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROSs），如羟基自由基（$cdot ext{OH}$）、超氧阴离子（$cdot ext{O}_2^-$）的产生机制及其对污染物分子键的攻击路径。对比“自由基路径”和“直接电子转移路径”在不同光催化剂体系中的主导地位。 4.2 难降解和新兴污染物的去除： 关注抗生素、内分泌干扰物（EDCs）和全氟烷基物质（PFASs）等新兴污染物。讨论如何利用等离子体协同光催化（PC-Plasma）或电化学耦合光催化（PEC）技术，实现对这些惰性污染物的深度氧化和最终矿化。 4.3 固废与气体处理： 简要介绍光催化剂在处理$ ext{NO}_x$、挥发性有机化合物（VOCs）以及在太阳光照射下对固相污染物（如重金属离子还原）的应用潜力。 --- 第三部分：从实验室到工业化的工程实践 实现光催化技术的实际应用，必须解决反应器的设计、稳定性和系统集成等工程化问题。 第五章：反应器设计与过程强化 5.1 优化光照效率： 探讨光如何在反应器内部均匀分布。分析集光系统、光导纤维、以及使用LED光源的优势。对比固定床、流化床和微通道反应器在传质、传热和光照利用率方面的差异。 5.2 催化剂的负载与回收： 讨论如何将纳米级催化剂稳定地固定在载体上（如膜、纤维、泡沫），以实现连续操作和简便回收。分析负载过程中的界面效应如何影响催化剂的真实活性。 第六章：系统稳定性、成本控制与未来展望 6.1 催化剂的长期稳定性： 评估光腐蚀、积碳、活性位点钝化等对催化体系寿命的影响。介绍表面钝化层、封装技术和自修复机制的研究进展。 6.2 经济性与环境影响评估： 对比光催化技术与其他成熟技术（如臭氧氧化、电化学处理）的生命周期评估（LCA）。讨论如何通过使用廉价原料和简化操作步骤来降低系统运行成本，推动技术的大规模商业化。 结论： 本书全面展示了光催化领域跨越材料科学、化学工程和环境科学的前沿研究成果，旨在激发读者对太阳能驱动的绿色化学转化的深刻理解和创新应用潜力。

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