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| 內容簡介： |
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《氢能化学：基础与应用》从化学化工学科的视角出发，以氢能源开发利用为目的，是全面、系统、详细讨论氢能源化学的高校规划教材，涉及氢气基础化学性质、制备原理、工艺路线、储运以及氢能源转化等领域的开发与应用。全书共11章，主要内容包括氢的基础化学、“灰氢”和“绿氢”制备、氢气分离与储存、氢燃料电池、氢能与热能转化、氢能与碳基能源转化等。本书在全面收集整理国内外前沿权威资料的基础上精心编排撰写而成，斟酌取舍内容、认真绘制图表、全面审读校对，以达到顺应时代潮流、开阔视野、拓宽知识面、强调开发应用等多重目的，并注重教材的政治性、前瞻性、学术性、实用性。本书可作为高等院校能源、动力、化学、化工、材料、环境等专业课程教材，也可供相关行业领域从事科研、设计和生产的技术及管理人员参考。
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| 目錄：
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第一章绪论
导言 001
1.1能源科学 001
1.2能源化学 003
1.3碳基能源 003
1.4氢能化学 005
1.4.1氢能化学定义 005
1.4.2氢能源分类 007
1.4.3“氢能中国”计划 008
1.5世界氢能开发简史 009
1.6氢能“彩虹” 010
1.7氢能产业链 012
1.7.1氢能源产业上游——制氢 012
1.7.2氢能源产业中游——储运 016
1.7.3氢能源产业下游——应用 017
1.8绿氢-绿氨-绿色甲醇转换 019
1.8.1绿氨制取技术新路线 020
1.8.2绿氢-绿醇技术 020
1.8.3生物质制绿色甲醇 020
1.8.4CO2-绿氢制甲醇 021
1.9氢能源开发的堵点 022
1.10氢能源前景 022
1.11结语 023
思考题 024
参考文献 024
第二章氢的基础化学
导言 026
2.1氢的前世今生 026
2.2氢及其同位素 027
2.3氢的物理化学和热力学性质 029
2.3.1氢气的物理化学性质 029
2.3.2氢及其气液固三态 031
2.3.3氢气的气体状态方程 031
2.3.4氢气热力学函数与压力及温度的关系 032
2.3.5氢气的溶解度 033
2.3.6氢气的热导率 034
2.3.7氢及其同位素的黏度 034
2.3.8氢及其同位素的表面张力 035
2.3.9氢气燃烧及其应用 035
2.4氢气的液化原理及过程 037
2.4.1液氢的汽化热 037
2.4.2氢的焦耳-汤姆孙效应 037
2.4.3氢气液化工艺过程 039
2.5固态氢及金属氢 042
2.5.1固态氢 042
2.5.2金属氢 043
2.6氢同位素分离 043
2.7氢核聚变反应及核能 045
2.7.1核反应的定义 045
2.7.2质量亏损和核结合能 045
2.7.3氢核聚变反应 046
2.7.4可利用的聚变反应 046
2.8氢的主要化学反应 048
2.8.1氢与非金属单质的反应 048
2.8.2氢与金属的反应 049
2.8.3氢与金属氧化物的还原反应 050
2.8.4合成气反应 056
2.8.5氢甲酰化反应 057
2.8.6其他反应 058
2.9氢的重要化合物 060
2.9.1水 060
2.9.2氨 062
2.9.3甲烷 065
2.9.4甲醇 065
2.9.5氘的重要化合物 066
2.10氢气分析化学及其检测原理 067
2.11氢的特殊性及科学地位 067
思考题 068
参考文献 069
第三章氢的结构化学
导言 070
3.1薛定谔方程与氢原子波函数 070
3.2氢原子的基态总能量 072
3.3氢的原子光谱 073
3.4氘的光谱位移及质量 074
3.5H 2分子的薛定谔方程及其解 077
3.6H2分子轨道 079
3.7氢化合物的化学键 080
3.7.1共价键 081
3.7.2硼氢化合物及氢桥键 083
3.7.3氢配体的配位共价键 084
3.7.4离子键 085
3.7.5金属键 086
3.8氢键 087
3.8.1氢键定义 087
3.8.2氢键的分类 090
3.8.3氢键的几何形态及键长、键能 090
3.8.4氢键的强度 093
3.8.5生物体系中的氢键 095
3.8.6氢键的普遍性和重要性 098
3.9氢脆现象及化学作用机制 098
3.9.1氢脆现象 098
3.9.2氢在钢材中的固溶态 099
3.9.3氢脆对不同材料的破坏 101
3.10氢爆碎现象及微观化学机制 102
3.10.1稀土永磁材料 102
3.10.2氢爆碎与氢化-歧化-吸氢再复合作用 104
3.11氢气的溢流现象及化学原理 106
思考题 108
参考文献 108
第四章传统工艺生产“灰氢”
导言 110
4.1煤化工制氢 110
4.1.1煤焦化副产氢 112
4.1.2煤气化制氢 115
4.1.3煤超临界水气化制氢 120
4.2天然气转化制氢 123
4.2.1甲烷水蒸气重整制氢 123
4.2.2甲烷部分氧化制氢 127
4.2.3CH4 CO2重整制氢 131
4.2.4甲烷裂解制氢 134
4.3水煤气变换制氢 136
4.3.1水煤气变换反应原理及热力学 136
4.3.2水煤气变换反应动力学及反应机理 138
4.3.3水煤气变换反应工艺 144
4.4电解食盐水制氢 148
4.4.1电解食盐水制氢原理及发展 148
4.4.2电解食盐水的电解槽 149
4.4.3电解槽槽电压的影响因素 150
4.4.4离子膜法制碱工艺 153
4.5烷烃裂解副产氢工艺 154
4.5.1乙烷裂解制氢 154
4.5.2丙烷脱氢制氢 156
思考题 160
参考文献 161
第五章水分解制备“绿氢”
导言 163
5.1光催化水分解制氢 163
5.1.1光催化水分解制氢原理 163
5.1.2光催化水分解制氢反应活性评价 170
5.1.3光催化剂的种类及结构 171
5.1.4影响光催化剂性能的主要因素 177
5.1.5光催化水分解反应体系 178
5.2电催化水分解制氢 180
5.2.1电解水制氢基础 181
5.2.2电解水原理 181
5.2.3电解水活性评价指标 183
5.2.4析氢反应催化剂 185
5.2.5电解水效率提升策略 186
5.2.6电解槽发展与分类 188
5.2.7光电化学制氢技术 193
5.3核电余热水分解制备绿氢 196
5.3.1核电余热-化学偶联水分解制绿氢 196
5.3.2核能发电简介 196
5.3.3核电余热-化学偶联制氢方法 198
5.3.4制氢设备材料的耐腐蚀问题 203
5.4化学链水分解制氢 203
5.4.1化学链水分解制氢原理 203
5.4.2氧载体材料的选择 204
5.4.3化学链水分解反应体系 205
5.5天然氢的发现及地质作用水分解机理 207
思考题 209
参考文献 210
第六章碳氢化合物分解制“绿氢”
导言 214
6.1生物质简介 214
6.1.1生物质种类 214
6.1.2生物质组分与结构 215
6.2生物质热解气化制氢 218
6.2.1热解气化过程 219
6.2.2气化制氢工艺 224
6.2.3反应温度的影响 225
6.2.4燃空当量比及气化剂影响 225
6.2.5催化剂种类及活性 227
6.2.6热解过程分析 229
6.2.7热解制氢工艺及反应器 230
6.2.8气化制氢吸附增强技术 231
6.2.9生物质燃烧气相污染物排放 231
6.2.10生物质超临界水气化热解制氢 233
6.3生物质发酵制氢 234
6.3.1生物质发酵制氢简介 234
6.3.2生物质发酵制氢主要过程 234
6.3.3生物质发酵制氢影响因素 237
6.3.4氢酶结构 238
6.3.5酶催化反应过程及机理 239
6.3.6生物质发酵制氢反应器 241
6.3.7生物质发酵制氢优缺点 243
6.4废弃塑料热解制氢 243
6.4.1废弃塑料及利用 243
6.4.2废塑料热解催化重整制氢 244
6.4.3微波催化裂解制氢 250
6.5生物甲醇-乙醇催化分解制氢 253
6.5.1甲醇裂解制氢 254
6.5.2乙醇催化重整制氢 255
6.5.3二甲醚分解制氢 257
6.6化学链烃化物分解制氢 258
6.6.1化学链分解制氢基本原理 258
6.6.2热力学分析 259
6.6.3氧载体材料 260
6.6.4化学链分解制氢工艺 261
6.6.5化学链制氢案例 263
6.6.6化学链制氢反应器 266
6.6.7展望 268
思考题 268
参考文献 269
第七章氢气分离及提纯
导言 272
7.1氢气分离纯化概述 272
7.1.1不同制氢工艺的主要杂质 272
7.1.2氢气分离纯化的意义 273
7.1.3氢气品质国家标准 274
7.2深冷低温分离法 274
7.2.1低温冷凝法 274
7.2.2低温吸附法 275
7.2.3氢同位素的分离 275
7.3变压吸附分离提纯法 276
7.3.1变压吸附原理 277
7.3.2吸附剂种类 279
7.3.3变压吸附基本步骤 281
7.3.4影响变压吸附的主要因素 282
7.3.5变压吸附特点 283
7.3.6变压吸附氢气提纯的应用实例 283
7.4膜分离法 286
7.4.1溶解-扩散机理 287
7.4.2微孔扩散机理 288
7.4.3氢气分离膜种类 288
7.4.4膜分离与变压吸附耦合技术 298
7.5低温甲醇洗净化 301
7.5.1低温甲醇洗工艺原理 301
7.5.2低温甲醇洗工艺流程 301
7.5.3低温甲醇洗工艺案例 302
7.6超音速气体纯化技术 303
7.7超纯氢的制备及微量杂质分析 305
7.7.1超纯氢的制备 305
7.7.2超纯氢中微量杂质分析 307
7.7.3氢气痕量杂质分析方法及标准 308
7.7.4气相色谱法分析烃类杂质特点 309
思考题 311
参考文献 312
第八章储氢原理及供氢技术
导言 314
8.1氢气储运的重要性 314
8.2储氢原理、材料、性能要求 315
8.2.1高压气体储氢原理 317
8.2.2低温液氢储存 320
8.2.3物理吸附储氢 325
8.2.4化学吸附储氢 326
8.3固体储氢材料及性能 332
8.4沸石分子筛储氢 333
8.5碳基吸附储氢材料 335
8.5.1活性炭 335
8.5.2碳纳米管 336
8.6金属有机框架材料储氢 337
8.7氢化物储氢原理及材料 339
8.7.1氢化物结构及性能 339
8.7.2金属合金氢化物储氢 345
8.7.3配位氢化物储氢 353
8.7.4展望 357
8.8有机液体储氢 358
8.8.1传统有机液体储氢 359
8.8.2新型有机液体储氢 360
8.9加氢站与供氢 364
8.9.1集中式加氢站供氢 364
8.9.2分布式加氢站供氢 364
思考题 367
参考文献 368
第九章氢电转化：燃料电池
导言 370
9.1氢燃料电池概述 370
9.1.1氢燃料电池基本概念 370
9.1.2燃料电池的发展简史 370
9.2氢燃料电池结构与工作原理 371
9.2.1氢燃料电池结构 371
9.2.2氢燃料电池工作原理 372
9.3氢燃料电池反应热力学 373
9.3.1电池电动势 373
9.3.2燃料电池的效率 375
9.4燃料电池反应动力学 376
9.4.1法拉第定律 377
9.4.2电化学反应速率 378
9.4.3极化 378
9.4.4交换电流密度 382
9.4.5巴特勒-福尔默方程 382
9.5氢燃料电池特点 384
9.6氢燃料电池分类 384
9.7质子交换膜燃料电池 385
9.7.1结构和工作原理 386
9.7.2催化剂 386
9.7.3质子交换膜 389
9.7.4膜电极组件 390
9.7.5双极板 392
9.7.6流场 394
9.7.7应用 394
9.8碱性燃料电池 394
9.8.1工作原理 395
9.8.2结构 395
9.8.3催化剂 396
9.8.4电极 400
9.8.5隔膜 401
9.8.6电解质 402
9.8.7双极板与流场 402
9.8.8应用与发展现状 403
9.8.9碱性膜燃料电池 403
9.9磷酸燃料电池 406
9.9.1工作原理 406
9.9.2特点 407
9.9.3工作条件 407
9.9.4系统组成 408
9.9.5关键材料 408
9.9.6电池性能影响因素 410
9.9.7现状与未来 412
9.10熔融碳酸盐燃料电池 412
9.10.1概述 412
9.10.2工作原理 413
9.10.3关键材料与部件 414
9.10.4电池性能影响因素 416
9.10.5应用现状 417
9.11固体氧化物燃料电池 418
9.11.1工作原理和结构 418
9.11.2电解质 419
9.11.3催化剂 420
9.11.4双极板 422
9.11.5应用 422
思考题 422
参考文献 423
第十章氢热转化：氢氧燃烧
导言 425
10.1氢能-热能转化及氢氧燃烧性能 425
10.1.1氢能-热能转化 425
10.1.2氢气的燃烧特性 426
10.2燃烧机理及反应动力学 432
10.2.1氢氧燃烧反应机理 432
10.2.2燃烧反应速率 434
10.2.3污染物NOx生成机理 435
10.2.4氢氧燃烧方式 437
10.3氢内燃机 439
10.3.1氢内燃机发展简史 439
10.3.2氢内燃机燃氢特性 439
10.3.3氢内燃机结构特点 441
10.3.4氢内燃机技术 444
10.3.5氢内燃机的问题与解决措施 448
10.3.6氢内燃机应用 449
10.4氢燃气轮机 450
10.4.1燃气轮机简介 450
10.4.2燃气轮机原理 451
10.4.3燃气轮机结构 451
10.4.4燃气轮机的简单循环 453
10.4.5氢燃气轮机先进技术 458
10.4.6甲烷掺氢燃气轮机技术 458
10.4.7燃烧室及其结构改进 459
10.4.8氢燃气轮机应用案例 463
10.5液氢燃料火箭 464
10.5.1氢燃料火箭结构 464
10.5.2氢燃料火箭工作原理 465
10.5.3氢燃料火箭性能及基本计算 465
10.5.4火箭发射推进原理 467
10.5.5液体燃料和氧化剂推进剂 468
10.5.6液氢低温储存技术 471
10.5.7氢燃料火箭优点和不足 472
10.6氢燃料锅炉 473
10.6.1氢燃料锅炉基本结构 473
10.6.2氢燃料锅炉工作原理 473
10.6.3氢燃料锅炉的安全性 474
10.7氢氧焰的利用：金属切割和焊接 474
10.7.1氢氧焰切割 474
10.7.2氢氧焰焊接 475
思考题 476
参考文献 477
第十一章氢烃转化：加氢反应
导言 479
11.1原油加工与加氢裂化 479
11.1.1原油加工工艺 479
11.1.2催化裂化过程简介 480
11.1.3加氢裂化 481
11.2汽油-柴油加氢脱硫 490
11.2.1加氢脱硫技术简介 490
11.2.2硫化物反应活性特点 491
11.2.3加氢脱硫催化剂 492
11.2.4加氢脱硫催化剂活性相结构 493
11.2.5加氢脱硫反应动力学 497
11.2.6汽油催化加氢脱硫 499
11.2.7柴油催化脱硫 502
11.3渣油催化加氢提质技术 504
11.3.1渣油加氢提质简介 504
11.3.2渣油加氢提质的化学反应 505
11.3.3渣油加氢工艺 509
11.4煤炭直接液化 512
11.4.1煤炭加氢液化 512
11.4.2煤的元素含量及化学组分 513
11.4.3煤炭直接液化简史与工艺 513
11.4.4煤炭直接液化反应机理 516
11.4.5煤炭直接液化典型工艺 517
11.4.6煤炭直接液化产物分布 518
11.5费-托合成 519
11.5.1费-托合成简介 519
11.5.2费-托合成动力学及ASF规则 520
11.5.3费-托合成催化剂 521
11.5.4费-托催化反应机理 522
11.5.5费-托合成工艺及技术 523
11.5.6费-托合成的产物质量选择性分布 524
11.6 CO/CO2加氢制甲烷 525
11.6.1甲烷化反应简介 525
11.6.2甲烷化反应特点及影响因素 526
11.6.3甲烷化催化剂 526
11.6.4CO甲烷化 527
11.6.5CO2甲烷化 528
11.6.6国外甲烷化技术路线 529
11.6.7国内甲烷化技术路线 529
11.7 CO/CO2加氢合成甲醇 530
11.7.1甲醇的重要性 530
11.7.2合成气制甲醇工艺 531
11.7.3CO2加氢制甲醇绿色工艺 533
11.7.4展望 534
思考题 535
参考文献 537
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| 內容試閱：
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能源科学对于推动人类社会进步及世界经济发展、促进人与自然和谐共存有巨大的作用。能源化学是一门交叉学科，它从化学与化工的视角出发，运用化学化工语言对现代能源的基础知识、能源开发与利用进行较全面的讨论，同时也探讨化学与化工在现代能源中的交叉渗透与相互促进关系。能源化学主要内容包括：不同形态能源的物理与化学基础理论、能源的制备生产以及相互转化，涵盖碳基能源、氢能、生物质能源、太阳能、燃料电池和其他新型能源和储能系统以及各类能源物质使用中的化学化工原理及过程。
从18世纪工业革命开始，人类大量使用化石能源，也使大气中的污染物以及CO2浓度急剧增加，极大地破坏了人类生存环境。为保护人类生存环境，在21世纪将全球温升控制在正常范围，各国对今后全球能源发展达成以下共识：①石油和天然气将继续在能源结构中占有重要地位；②煤炭使用量应显著下降；③对非生物可再生能源（如太阳能、风能、水电等）和生物能源的需求会显著增加。为实现可持续发展目标，全球所有行业及经济活动需要采取以下三大关键行动：①开发新能源和储能技术；②提升能源使用效率；③提高低碳能源使用比例。
氢能化学是新能源化学的重要组成部分，氢能是公认的清洁能源，作为真正意义上的绿色能源、零碳能源正在脱颖而出，受到各国的高度重视。21世纪，世界各国都制定了氢能发展规划，我国也在氢能领域取得多方面的进展，是被国际上公认为最有可能率先实现绿氢工业化生产和氢能大量应用的国家。目前，我国各级政府部门、社会各界、高校及研究开发单位都给予开发氢能源极大关注，政府相继出台了重要的指导性政策文件，企业界正积极建设氢能源化工产业链，高校及研究单位积极布局氢能各个环节的新工艺、新技术研究开发工作。然而，迄今为止，尚未见到全面系统介绍氢能化学的教材或专著面世，面对全国高校能源化工、能源材料、化学化工等专业的教学科研急需，有必要及时编著一部氢能化学教材或专著。
《氢能化学：基础与应用》秉承“紧跟时代潮流，掌握发展动态，加强基础知识，深化应用技术，培养学生开发氢能意识”的编写原则，编写内容沿“时代背景-基本理论-学术内容-应用技术-发展前景”这条主线展开，力图实现教学内容与科研内容的有机融合。本书将氢能源化学化工系统梳理为氢能基本知识、氢气制造与储运以及氢能使用三大板块，特别是对绿色制氢化学原理、氢气纯化及储运以及氢燃料电池应用、氢能与热能转化、氢能与碳基能源转化等有代表性的化学工艺进行了较为详细的介绍。系统集成创新、重点突出、学术性强是本书的一大特色。相信本书的出版，对于能源动力、能源材料、化学化工等专业的广大师生将有所裨益，同时可对从事氢能源研究开发及工程管理的广大科技工作者提供有益借鉴。
本书编著团队来自华中科技大学、武汉工程大学、南京理工大学、上海大学、六盘水师范学院等高校。主编李光兴教授长期从事化学化工及能源化工领域教学科研工作，主持或参与了国家、省市以及工业界多项涉氢项目研究，如合成氨、水煤气变换反应（WGSR）、费托合成（FT synthesis）、氢甲酰化以及生物质气化等项目的研究开发工作，积累了较为丰富的涉氢化学知识及化工研发经验。副主编王得丽教授、蒋炎坤教授、李涛教授、顾彦龙教授等长时间从事物理化学、化学化工及内燃机燃烧等领域研究与教学的专家学者，具有坚实的化学化工、能源及材料等专业背景，在化学化工及能源化工相关领域教学与科研方面都取得了显著成就。
本书主编为华中科技大学李光兴，副主编为王得丽、蒋炎坤、李涛、顾彦龙。各章具体执笔分工如下：第一章由李光兴撰写，李涛校对；第二章由李光兴撰写，梅付名校对；第三章由李光兴撰写，唐从辉、廖荣臻校对；第四章由白荣献、李光兴撰写，李光兴校对；第五章由何霏、张鹏、李涛共同撰写，李光兴校对；第六章由顾彦龙、李光兴撰写并校对；第七章由吴华东、李光兴撰写，李光兴校对；第八章由杨小俊、唐从辉、李光兴共同撰写，李光兴校对；第九章由王得丽撰写并校对；第十章由蒋炎坤、李光兴撰写并校对；第十一章由李光兴、雷以柱撰写并校对。
本书成书过程中得到了华中科技大学及化学工业出版社的大力支持，特别感谢化学工业出版社陶艳玲编辑的大力支持与协助；陈胜利、赵海波、余洪波、尹国川、陈朱琦、黎明、倪友明、李小定等教授对有关内容提出了有益建议；廖祥翔、张芮、张天键、王子健、赵博、宋敏、安露露、张倩、罗官宇、陈颖、丁乾召、卢奕鑫、郭小川、张逸夫等同学参与了图表绘制及文献整理工作。本书编写过程中广泛参阅了国内外出版的相关图书和学术论文，在此向相关单位及作者一并表示衷心的感谢。
氢能化学是一个全新的知识领域，知识更新速度快，体系十分庞杂，新概念、新工艺、新技术、新材料不断涌现，本书作为首次编撰尝试，编者学术水平有限、经验不足，全书难免有疏漏与不足之处，敬请各位专家、广大师生批评指正。
编者 于武昌关山
2025年3月
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