具体描述
创新驱动的材料科学前沿：可持续能源与环境治理的融合之路 本书简介 本书深入探讨了现代材料科学在应对全球气候变化和资源枯竭等紧迫环境挑战中的关键作用。我们聚焦于那些具备高效率、低能耗、可再生和环境友好的新兴功能性材料的研发、性能优化及其在可持续技术中的实际应用。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到尖端实践的多个维度，旨在为化学、材料学、环境工程及相关领域的科研人员、工程师和高年级学生提供一个全面且富有洞察力的参考平台。 第一部分：绿色化学与可持续合成策略 本部分奠定了全书的理论基础，强调了化学过程的本质性绿色化。 第一章：原子经济性与催化剂设计 我们详细分析了原子经济性（Atom Economy）在评估化学反应效率中的重要性。重点阐述了非贵金属催化剂，特别是基于铁、铜、镍等廉价元素的催化体系的设计原则。内容包括多相催化剂的表面活性位点调控、单原子催化（SACs）的构筑策略，以及酶催化和生物启发催化在温和条件下的高选择性转化中的潜力。特别关注了如何通过精确调控配位环境来抑制副反应，最大化目标产物的收率。 第二章：溶剂工程与反应介质创新 传统有机溶剂带来的环境负担促使我们寻求更安全的替代品。本章系统梳理了超临界流体（如超临界 $ ext{CO}_2$）、离子液体（Ionic Liquids, ILs）和深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）在化学合成中的应用。我们深入探讨了这些新型溶剂对反应动力学、热力学以及产物分离纯化的影响机制。阐述了如何利用 ILs 和 DESs 作为反应物或催化剂骨架，实现“一锅法”合成，并讨论了其回收再利用的技术挑战。 第三章：光化学与电化学合成 利用清洁能源驱动化学转化是绿色化学的核心方向之一。本章详细介绍了光催化和电催化在有机合成中的前沿应用。在光催化方面，重点分析了半导体光催化剂（如 $ ext{TiO}_2$、钙钛矿材料）的能带结构设计，以实现可见光驱动的 $ ext{C}- ext{H}$ 键活化和氧化还原反应。在电化学合成部分，讨论了电解池的设计、电极材料的选择（如 $ ext{MXenes}$ 和石墨烯衍生物）对反应选择性的影响，特别是用于小分子活化（如 $ ext{CO}_2$ 还原为燃料或化学品）的体系。 第二部分：可持续能源材料的突破 本部分关注下一代能源存储与转化技术中关键材料的研发与性能提升。 第四章：高效光伏器件材料 本章侧重于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）的稳定性和效率问题。详细分析了有机-无机杂化钙钛矿材料中的缺陷钝化策略，包括表面改性、二维层引入和添加剂工程。同时，探讨了新型无铅替代物（如双金属锡基钙钛矿）的合成与器件集成，以及柔性和透明光伏器件的制造工艺。 第五章：先进储能材料 针对锂离子电池的能量密度和安全性瓶颈，本章聚焦于固态电解质和新型正负极材料。详细介绍了聚合物固态电解质、硫化物和氧化物基固态电解质的界面相容性问题及离子传导机制。在电极材料方面，深入讨论了高镍正极材料的表面包覆技术以抑制循环过程中的结构衰变，以及硅基和锂金属负极在实际应用中面临的体积膨胀和枝晶生长控制策略。此外，对钠离子电池和镁离子电池的潜力进行了评估。 第六章：催化氢能与燃料电池技术 氢气作为终极清洁能源，其制备和利用是关键。本章讨论了高效水电解催化剂，特别是氧析出反应（OER）和析氢反应（HER）的非贵金属催化剂（如过渡金属硫化物、磷化物和氮化物）。在燃料电池方面，重点分析了质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中高性能、低铂或无铂催化剂的结构设计，以及阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中高稳定性离子交换膜的制备工艺。 第三部分：环境修复与资源循环材料 本部分聚焦于材料在水净化、空气治理和废物资源化中的创新应用。 第七章：高级氧化/还原过程（AOPs/ARPs）材料 为有效去除水体中的持久性有机污染物（POPs），本章详细介绍了用于激活过氧化物和氧气的多功能催化剂。内容涵盖了异质结构催化剂（如 $ ext{CNTs}/ ext{Fe}_3 ext{O}_4$ 复合材料）的设计，如何通过构建界面异质结提高活性物种（如 $cdot ext{OH}$）的生成效率。此外，探讨了可见光驱动的芬顿（Fenton-like）反应及其在复杂水体处理中的应用前景。 第八章：污染物吸附与膜分离技术 针对微塑料和新型污染物，本章分析了具有超高比表面积的吸附材料。重点讨论了金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）的孔道调控，以实现对特定污染物的选择性捕获。在膜分离领域，深入研究了石墨烯氧化物（GO）纳米片膜和正渗透（FO）膜材料的制备，用以实现低能耗的高效海水淡化和废水回用。 第九章：碳捕获、利用与封存（CCUS）材料 本章将目光投向 $ ext{CO}_2$ 的捕获与转化。详细评估了胺基功能化的固体吸附剂（如负载型胺类材料），并对比了它们与传统胺液吸收法的优劣。在 $ ext{CO}_2$ 利用方面，重点分析了将捕获的 $ ext{CO}_2$ 通过电催化、光催化或热催化转化为甲醇、合成气或聚合物的可行性，并探讨了催化剂在处理高浓度 $ ext{CO}_2$ 流动体系中的稳定性。 总结与展望 全书的最后一部分对材料科学在可持续发展中的未来趋势进行了预测，强调了跨学科合作（如材料基因组计划、人工智能辅助材料设计）对加速绿色技术商业化的关键作用，并指出了当前研究中亟待解决的规模化生产、长期稳定性验证和成本效益分析等实际工程挑战。本书旨在激励读者以系统化的绿色化学思维指导材料创新，推动环境技术从实验室走向现实应用。
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