具体描述
The fifth edition of the Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology builds upon the solid foundation of the previous editions, which have proven to be a mainstay for chemists, biochemists, and engineers at academic, industrial, and government institutions since publication of the first edition in 1949. The new edition includes necessary adjustments and modernization of the content to reflect changes and developments in chemical technology.
好的，这是一部关于全球能源转型与可持续材料科学的综合性著作的简介。 --- 书名：可持续能源未来：材料科学的革新与全球转型路径 作者：[此处留空，或想象一个资深研究团队的署名] 页数：约 1450 页 定价：[留空，或设定为学术专著的合理价格] --- 导言：跨越世纪的能源范式转换 人类文明的每一次重大飞跃都与能源获取方式的根本性变革紧密相关。从薪柴到煤炭，再到石油和天然气，化石燃料驱动了过去两个世纪的工业化进程。然而，气候变化、资源枯竭和环境污染的严峻挑战，正以前所未有的力度推动我们进入一个全新的能源范式——可持续能源体系。 本书《可持续能源未来：材料科学的革新与全球转型路径》并非简单地梳理现有技术，而是深入剖析支撑这场全球性能源革命的基础科学、材料工程以及宏观经济与政策之间的复杂耦合关系。我们旨在提供一个全面、多维度的视角，揭示从原子层面到国家战略层面，实现能源净零排放转型的可行蓝图与潜在瓶颈。 全书共分为五大部分，涵盖了能源转换、储存、利用和系统集成四大核心领域，并辅以深刻的政策与经济分析。 --- 第一部分：能源转型的驱动力与基础物理（第 1 章 – 第 8 章） 本部分确立了理解可持续能源系统的理论框架。我们首先回顾了全球能源需求的历史趋势与未来预测，重点分析了《巴黎协定》目标下，不同情景对能源结构调整的紧迫性要求。 核心内容聚焦于“第一性原理”的突破： 光电效应的深层机制与缺陷工程： 探讨了如何通过精确调控半导体材料的能带结构，以超越传统肖克利-奎伊瑟尔极限（Shockley-Queisser Limit）的效率。重点分析了钙钛矿材料（Perovskites）的稳定性挑战及其界面物理学。 热力学与电化学界面的耦合： 深入研究了催化剂的电子结构与反应动力学之间的非线性关系，尤其是在涉及水分解（析氢反应/析氧反应）和二氧化碳还原（CO2RR）的反应中，如何通过纳米结构设计来降低活化能垒。 聚变能的材料学前沿： 鉴于聚变能的长期潜力，本章详述了等离子体面对材料（Plasma-Facing Components, PFCs）的辐照损伤机制、氚的增殖与循环，以及高温超导磁体在未来反应堆设计中的地位。 --- 第二部分：高效能源转换技术（第 9 章 – 第 18 章） 本部分集中探讨了如何更有效地捕获、转换和利用自然界中可再生的能量流。这是本书篇幅最厚重的部分之一，强调了材料创新是提高效率的关键。 A. 太阳能捕获与转化： 第三代光伏技术： 对染料敏化太阳能电池（DSSC）、量子点太阳能电池（QDSC）的电荷传输动力学进行了详细比较。特别关注了柔性光伏和建筑一体化光伏（BIPV）对封装材料和柔性电极提出的新要求。 光热-电转换（PV/T）： 分析了如何通过集成热管理系统，提高太阳能的综合利用率，涉及先进的相变材料（PCM）在温度稳定化中的应用。 B. 生物能源与合成燃料： 先进生物反应器设计： 讨论了藻类生物燃料生产中的光照效率优化，以及利用合成生物学手段改造微生物以提高特定燃料产率的最新进展。 电催化燃料合成（Power-to-Fuels）： 详细介绍了使用可再生电力驱动的电解槽，直接将水或CO2转化为高能量密度液体燃料（如甲醇、合成甲烷）的催化剂体系和反应器工程。 C. 风能与地热能的高级利用： 重点分析了超大型海上风力发电机叶片材料的疲劳寿命、复合材料的回收技术，以及地热能开采中对耐高温、耐腐蚀钻井材料的需求。 --- 第三部分：变革性的能源储存方案（第 19 章 – 第 28 章） 间歇性是可再生能源推广的最大障碍。本部分专注于下一代储能技术，从电化学到机械和热能存储，探究其能量密度、功率密度和循环寿命的平衡点。 A. 电池系统的演进： 固态电池的材料障碍： 深入剖析了固态电解质（聚合物、氧化物、硫化物）的离子电导率与界面阻抗问题。评估了全固态电池在规模化生产上面临的工艺挑战（如叠层压力、接触电阻）。 非锂基电池技术： 详细考察了钠离子电池（Na-ion）、钾离子电池（K-ion）和液流电池（Flow Batteries）的电极/电解质体系。重点比较了液流电池中关键活性物质的稳定性与膜材料的选择，以实现长周期、大规模的电网级储能。 金属-空气电池： 讨论了锌空、铝空电池在理论能量密度上的优势，以及如何解决充放电过程中的枝晶生长和副反应问题。 B. 长期与季节性存储： 绿色氢能的生态链： 不仅讨论了电解水制氢（PEM, Alkaline, SOEC），还深入分析了氢气的储存与运输：液态有机氢载体（LOHCs）的化学循环效率，以及高压/低温储氢材料（如金属氢化物）的吸附-脱附热力学。 热能存储的创新： 评估了基于熔盐、颗粒床或先进陶瓷材料的超高效率热能存储（TESS）系统，及其与工业过程余热回收的集成。 --- 第四部分：能源系统集成与智能管理（第 29 章 – 第 35 章） 能源的“可持续性”不仅仅是低碳排放，还包括系统的韧性与效率。本部分关注如何将分布式能源、储能和终端用户连接起来，形成一个高效、自愈合的智能电网。 微电网与虚拟电厂（VPP）： 探讨了在边缘计算和物联网（IoT）驱动下，如何利用优化算法和区块链技术，实现海量分布式资源（DERs）的协调控制和可靠运行。 电力电子学的材料需求： 宽禁带半导体材料（如SiC和GaN）在变流器、逆变器中的应用，如何降低电力转换损耗，从而提高整个电网的传输效率。 碳捕获、利用与封存（CCUS）的工程化： 重点分析了新型吸附剂（MOFs, COFs）在直接空气捕获（DAC）中的突破性潜力，以及捕获后CO2的转化为高价值化学品（如聚合物、合成燃料）的催化反应路径。 --- 第五部分：政策、经济与社会影响（第 36 章 – 第 40 章） 材料和技术创新必须在正确的政策框架下才能实现规模化部署。本部分超越了纯粹的工程学，探讨了实现全球转型的非技术性障碍。 关键矿物供应链的韧性： 识别了电池、催化剂和高性能磁体所需的关键稀有金属（如锂、钴、镍、稀土元素）。分析了地缘政治风险、矿产替代策略（如无钴电池开发）以及循环经济中材料的回收技术与经济模型。 技术扩散与公正转型： 讨论了如何通过技术转让、标准制定和碳定价机制，确保能源转型不仅在发达国家实现，也能促进全球南方国家的可持续发展，避免“能源贫困”的加剧。 生命周期评估（LCA）的量化： 提供了对主流可持续能源技术（从硅板制造到电池报废处理）的全面环境足迹分析，确保“绿色”解决方案不会在生产或废弃阶段转移污染负担。 --- 结语：材料科学是未来能源的“炼金术” 本书的结论强调，可持续能源的未来并非仅仅是线性地提高现有技术的效率，而是依赖于跨学科的根本性创新。材料科学家正肩负着前所未有的责任，如同古代的炼金术士探索元素转化，现代科学家则在原子尺度上设计能量的捕获、储存与释放方式。成功过渡到净零排放的未来，取决于我们能否迅速地将实验室中的“尖端发现”转化为全球规模的“可行工程”。 --- 目标读者： 材料科学家、化学工程师、能源政策制定者、环境经济学家、高年级本科生及研究生。 特点： 理论深度与工程实践的完美结合，数据驱动的预测分析，专注于尚未成熟但潜力巨大的下一代技术。
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