《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。
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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