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现代化学工艺与分析技术：前沿进展与应用实践 图书简介 本书旨在全面、深入地探讨现代化学工程、分析化学及其在各个工业领域中的前沿应用与实践。聚焦于化学过程的优化、新型材料的合成、精密分析方法的开发与应用，本书为化学、材料科学、环境工程以及相关工业领域的专业人士、研究人员和高年级学生提供了一份兼具理论深度与工程实用性的参考指南。 全书结构严谨，内容涵盖面广，共分为七大部分，二十八个章节，力求展现当代化学工业与分析技术交叉融合的广阔图景。 --- 第一部分：高级反应工程与催化系统（Advanced Reaction Engineering and Catalytic Systems） 本部分深入探讨现代化学反应器的设计、模拟与优化，重点关注非均相催化和绿色化学反应的最新发展。 第一章：新型催化剂的设计与表征 本章详细阐述了多相催化剂的结构-活性关系，包括纳米结构催化剂、单原子催化剂（SACs）的设计原则与合成策略。重点分析了先进的表征技术，如高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和原位傅里叶变换红外光谱（In-situ DRIFTS）在理解催化机理中的关键作用。讨论了如何通过表面修饰和孔道工程来提高催化剂的稳定性和选择性。 第二章：微反应器技术与过程强化 本章聚焦于微反应器（Microreactors）在精细化工和高危反应中的应用。通过流体力学和传质传热理论的结合，分析了微通道设计如何实现对反应温度和停留时间的精确控制。阐述了微反应器在均相、多相反应中的优势，以及其在实现过程强化（Process Intensification, PI）目标中的潜力。 第三章：生物催化与酶工程 探讨了生物催化剂（酶）在工业合成中的应用，包括固定化酶技术、酶的定向进化和改造。重点分析了利用生物催化实现高对映选择性合成的案例，以及在温和条件下进行复杂分子构建的策略。 第四章：反应动力学建模与过程控制 介绍先进的反应动力学建模方法，包括基于密度泛函理论（DFT）的计算模拟在预测反应路径中的应用。阐述了利用模型预测控制（MPC）和智能算法对复杂化工过程进行实时优化和安全监控的技术。 --- 第二部分：聚合物科学与先进功能材料（Polymer Science and Advanced Functional Materials） 本部分关注高分子材料的合成、结构控制及其在高性能应用中的开发。 第五章：精密聚合技术 详述了活性/可控自由基聚合（如ATRP、RAFT）的最新进展，及其在合成具有明确拓扑结构和低分散度的聚合物中的应用。讨论了功能化聚合物的“自下而上”组装策略。 第六章：导电与光电聚合物 聚焦于有机半导体材料的开发，包括共轭聚合物的合成、能带结构调控以及在有机发光二极管（OLEDs）、有机太阳能电池（OSCs）中的应用。深入分析了电荷传输机制和界面工程对器件性能的影响。 第七章：智能与响应性材料 介绍对外界刺激（如温度、pH值、光照或电场）敏感的智能高分子水凝胶、形状记忆聚合物的制备及其在药物递送、传感器和软体机器人技术中的前沿应用。 第八章：高性能复合材料界面粘接 分析了纤维增强复合材料（如碳纤维、玻璃纤维）与聚合物基体之间的界面相互作用。探讨了表面处理技术（如等离子体处理、偶联剂改性）如何增强界面剪切强度和材料的长期耐久性。 --- 第三部分：分离工程与过程强化（Separation Engineering and Process Intensification） 本部分集中于高效、节能的分离技术，这是实现绿色化工的关键环节。 第九章：膜分离技术的新突破 重点介绍新型高性能膜材料，包括石墨烯氧化物膜、金属有机框架（MOFs）衍生膜在气体分离（如CO2捕获）和水处理（海水淡化、废水深度净化）中的应用。比较了不同膜分离过程的能耗与效率。 第十章：吸附与变温吸附技术 深入分析了新型吸附剂，如共价有机框架（COFs）和高度有序介孔碳材料的合成与应用。详细讨论了变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）技术在工业气体分离中的优化策略。 第十一章：反应精馏与集成系统 探讨了将反应和分离单元集成化的过程强化技术。通过详细的案例研究，分析了反应精馏塔的设计准则、热力学限制以及如何通过模型优化实现能耗的大幅降低。 第十二章：超临界流体技术 论述了超临界CO2作为绿色溶剂在萃取、分离和超临界流体制备高分子微/纳米粒子中的应用，并讨论了其在制药和食品工业中的放大挑战。 --- 第四部分：分析化学与化学计量学（Analytical Chemistry and Chemometrics） 本部分关注高灵敏度、高选择性的分析方法开发及其在复杂体系中的应用。 第十三章：高分辨率质谱技术在痕量分析中的应用 涵盖了液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）和气相色谱-高分辨质谱（GC-HRMS）的最新进展，特别关注其在代谢组学、环境污染物定性定量中的“未知物”筛查能力。 第十四章：电化学传感器与生物传感器的设计 探讨了基于纳米材料（如量子点、碳纳米管）修饰电极的电化学传感器开发。重点分析了其在实时监测生理指标或水体中有毒物质方面的灵敏度和稳定性。 第十五章：化学计量学与过程分析技术（PAT） 详细介绍了偏最小二乘法（PLS）、主成分分析（PCA）等化学计量学工具在处理高维光谱数据中的应用。结合近红外（NIR）和拉曼光谱，阐述如何构建可靠的在线质量控制模型。 第十六章：同位素稀释质谱与溯源分析 阐述了高精度同位素比值质谱（IRMS）在食品安全、环境地球化学和法医学中的应用，强调其在建立物质来源和历史信息方面的独特优势。 --- 第五部分：能源化学与电化学（Energy Chemistry and Electrochemistry） 本部分深入探讨了化学在下一代能源存储与转化技术中的核心作用。 第十七章：锂离子电池正负极材料的创新 分析了高镍三元材料、富锂锰基材料的结构稳定性问题，以及硅基负极材料的体积膨胀抑制策略。讨论了固态电解质的设计与界面阻抗控制。 第十八章：燃料电池电催化剂的性能提升 聚焦于非贵金属基催化剂（如Fe-N-C材料）在氧还原反应（ORR）中的性能优化。深入探讨了反应活性位点的结构解析与催化机理研究。 第十九章：电化学合成与二氧化碳还原（CO2RR） 探讨了利用可再生电力驱动的电化学方法合成高价值化学品，特别是将CO2转化为甲醇、乙烯等的方法。分析了影响选择性和能耗的关键电极材料特性。 第二十章：新型储能技术：钠离子与液流电池 介绍了钠离子电池（SIB）的优势与挑战，特别是对新型层状氧化物和硬碳负极材料的研究进展。同时，详细阐述了有机和无机液流电池的电解液设计与长寿命运行策略。 --- 第六部分：环境化学工程与可持续发展（Environmental Chemical Engineering and Sustainability） 本部分关注化学技术在解决全球环境问题中的责任与创新。 第二十一章：高级氧化工艺（AOPs）在水净化中的应用 详细介绍臭氧催化氧化、芬顿/类芬顿反应、光催化降解等AOPs去除持久性有机污染物（POPs）的机理与工程放大。讨论了污染物矿化率的评估标准。 第二十二章：污染物吸附与解吸的再生循环 研究高效吸附剂的开发及其在去除重金属离子和新兴污染物（如微塑料、药物残留）中的性能。重点分析了吸附剂的梯级利用和稳定、低能耗的再生技术。 第二十三章：温室气体捕集与转化 涵盖了胺吸收法、膜分离法以及新型固体吸附剂在工业烟气中CO2捕集的技术经济性分析。并探讨了将捕获的CO2转化为合成燃料或化学品的催化转化路线。 第二十四章：绿色溶剂与原子经济性 全面回顾了离子液体、深共熔溶剂（DESs）在替代传统挥发性有机溶剂（VOCs）中的潜力。从原子经济性（Atom Economy）角度评估了几种关键化工合成路线的可持续性。 --- 第七部分：计算化学与材料模拟（Computational Chemistry and Material Simulation） 本部分桥接理论计算与实际材料设计，是现代化工研发的强大工具。 第二十五章：密度泛函理论（DFT）在催化剂筛选中的应用 阐述了如何利用DFT计算预测活性位点的电子结构、吸附能和过渡态能垒。通过高通量虚拟筛选（HTVS），加速新催化剂的研发周期。 第二十六章：分子动力学模拟（MD）在软物质中的应用 展示了分子动力学模拟在理解聚合物链段运动、溶剂化效应以及复杂流体中界面行为（如乳液稳定性）中的能力。 第二十七章：有限元方法（FEM）在设备设计中的集成 讨论了如何将计算流体力学（CFD）与热力学模型相结合，对复杂的化工设备（如换热器、搅拌釜）进行多物理场耦合分析，以优化设备内的传质传热效率。 第二十八章：机器学习在材料性能预测中的实践 介绍了如何构建和训练机器学习模型，利用已有的实验数据来预测新型化合物的物理化学性质或材料的宏观性能，实现数据驱动的材料发现。 --- 本书特色在于，它不仅提供了详实的理论基础，更强调将这些理论应用于解决实际工业生产中的难题，尤其注重过程的绿色化、效率最大化和分析的精确性。内容更新紧跟国际研究热点，为读者提供了进入该领域前沿研究的坚实阶梯。
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