《氫能化學：基礎與應用》從化學化工學科的視角出發(fā)，以氫能源開發(fā)利用為目的，是全面、系統(tǒng)、詳細討論氫能源化學的高校規(guī)劃教材，涉及氫氣基礎化學性質(zhì)、制備原理、工藝路線、儲運以及氫能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的開發(fā)與應用。
全書共11章，主要內(nèi)容包括氫的基礎化學、“灰氫”和“綠氫”制備、氫氣分離與儲存、氫燃料電池、氫能與熱能轉(zhuǎn)化、氫能與碳基能源轉(zhuǎn)化等。本書在全面收集整理國內(nèi)外前沿權(quán)威資料的基礎上精心編排撰寫而成，斟酌取舍內(nèi)容、認真繪制圖表、全面審讀校對，以達到順應時代潮流、開闊視野、拓寬知識面、強調(diào)開發(fā)應用等多重目的，并注重教材的政治性、前瞻性、學術(shù)性、實用性。
本書可作為高等院校能源、動力、化學、化工、材料、環(huán)境等專業(yè)課程教材，也可供相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域從事科研、設計和生產(chǎn)的技術(shù)及管理人員參考。
第一章緒論
導言 001
1.1能源科學 001
1.2能源化學 003
1.3碳基能源 003
1.4氫能化學 005
1.4.1氫能化學定義 005
1.4.2氫能源分類 007
1.4.3“氫能中國”計劃 008
1.5世界氫能開發(fā)簡史 009
1.6氫能“彩虹” 010
1.7氫能產(chǎn)業(yè)鏈 012
1.7.1氫能源產(chǎn)業(yè)上游——制氫 012
1.7.2氫能源產(chǎn)業(yè)中游——儲運 016
1.7.3氫能源產(chǎn)業(yè)下游——應用 017
1.8綠氫-綠氨-綠色甲醇轉(zhuǎn)換 019
1.8.1綠氨制取技術(shù)新路線 020
1.8.2綠氫-綠醇技術(shù) 020
1.8.3生物質(zhì)制綠色甲醇 020
1.8.4CO2-綠氫制甲醇 021
1.9氫能源開發(fā)的堵點 022
1.10氫能源前景 022
1.11結(jié)語 023
思考題 024
參考文獻 024
第二章氫的基礎化學
導言 026
2.1氫的前世今生 026
2.2氫及其同位素 027
2.3氫的物理化學和熱力學性質(zhì) 029
2.3.1氫氣的物理化學性質(zhì) 029
2.3.2氫及其氣液固三態(tài) 031
2.3.3氫氣的氣體狀態(tài)方程 031
2.3.4氫氣熱力學函數(shù)與壓力及溫度的關(guān)系 032
2.3.5氫氣的溶解度 033
2.3.6氫氣的熱導率 034
2.3.7氫及其同位素的黏度 034
2.3.8氫及其同位素的表面張力 035
2.3.9氫氣燃燒及其應用 035
2.4氫氣的液化原理及過程 037
2.4.1液氫的汽化熱 037
2.4.2氫的焦耳-湯姆孫效應 037
2.4.3氫氣液化工藝過程 039
2.5固態(tài)氫及金屬氫 042
2.5.1固態(tài)氫 042
2.5.2金屬氫 043
2.6氫同位素分離 043
2.7氫核聚變反應及核能 045
2.7.1核反應的定義 045
2.7.2質(zhì)量虧損和核結(jié)合能 045
2.7.3氫核聚變反應 046
2.7.4可利用的聚變反應 046
2.8氫的主要化學反應 048
2.8.1氫與非金屬單質(zhì)的反應 048
2.8.2氫與金屬的反應 049
2.8.3氫與金屬氧化物的還原反應 050
2.8.4合成氣反應 056
2.8.5氫甲�；磻� 057
2.8.6其他反應 058
2.9氫的重要化合物 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氫氣分析化學及其檢測原理 067
2.11氫的特殊性及科學地位 067
思考題 068
參考文獻 069
第三章氫的結(jié)構(gòu)化學
導言 070
3.1薛定諤方程與氫原子波函數(shù) 070
3.2氫原子的基態(tài)總能量 072
3.3氫的原子光譜 073
3.4氘的光譜位移及質(zhì)量 074
3.5H+2分子的薛定諤方程及其解 077
3.6H2分子軌道 079
3.7氫化合物的化學鍵 080
3.7.1共價鍵 081
3.7.2硼氫化合物及氫橋鍵 083
3.7.3氫配體的配位共價鍵 084
3.7.4離子鍵 085
3.7.5金屬鍵 086
3.8氫鍵 087
3.8.1氫鍵定義 087
3.8.2氫鍵的分類 090
3.8.3氫鍵的幾何形態(tài)及鍵長、鍵能 090
3.8.4氫鍵的強度 093
3.8.5生物體系中的氫鍵 095
3.8.6氫鍵的普遍性和重要性 098
3.9氫脆現(xiàn)象及化學作用機制 098
3.9.1氫脆現(xiàn)象 098
3.9.2氫在鋼材中的固溶態(tài) 099
3.9.3氫脆對不同材料的破壞 101
3.10氫爆碎現(xiàn)象及微觀化學機制 102
3.10.1稀土永磁材料 102
3.10.2氫爆碎與氫化-歧化-吸氫再復合作用 104
3.11氫氣的溢流現(xiàn)象及化學原理 106
思考題 108
參考文獻 108
第四章傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)“灰氫”
導言 110
4.1煤化工制氫 110
4.1.1煤焦化副產(chǎn)氫 112
4.1.2煤氣化制氫 115
4.1.3煤超臨界水氣化制氫 120
4.2天然氣轉(zhuǎn)化制氫 123
4.2.1甲烷水蒸氣重整制氫 123
4.2.2甲烷部分氧化制氫 127
4.2.3CH4 CO2重整制氫 131
4.2.4甲烷裂解制氫 134
4.3水煤氣變換制氫 136
4.3.1水煤氣變換反應原理及熱力學 136
4.3.2水煤氣變換反應動力學及反應機理 138
4.3.3水煤氣變換反應工藝 144
4.4電解食鹽水制氫 148
4.4.1電解食鹽水制氫原理及發(fā)展 148
4.4.2電解食鹽水的電解槽 149
4.4.3電解槽槽電壓的影響因素 150
4.4.4離子膜法制堿工藝 153
4.5烷烴裂解副產(chǎn)氫工藝 154
4.5.1乙烷裂解制氫 154
4.5.2丙烷脫氫制氫 156
思考題 160
參考文獻 161
第五章水分解制備“綠氫”
導言 163
5.1光催化水分解制氫 163
5.1.1光催化水分解制氫原理 163
5.1.2光催化水分解制氫反應活性評價 170
5.1.3光催化劑的種類及結(jié)構(gòu) 171
5.1.4影響光催化劑性能的主要因素 177
5.1.5光催化水分解反應體系 178
5.2電催化水分解制氫 180
5.2.1電解水制氫基礎 181
5.2.2電解水原理 181
5.2.3電解水活性評價指標 183
5.2.4析氫反應催化劑 185
5.2.5電解水效率提升策略 186
5.2.6電解槽發(fā)展與分類 188
5.2.7光電化學制氫技術(shù) 193
5.3核電余熱水分解制備綠氫 196
5.3.1核電余熱-化學偶聯(lián)水分解制綠氫 196
5.3.2核能發(fā)電簡介 196
5.3.3核電余熱-化學偶聯(lián)制氫方法 198
5.3.4制氫設備材料的耐腐蝕問題 203
5.4化學鏈水分解制氫 203
5.4.1化學鏈水分解制氫原理 203
5.4.2氧載體材料的選擇 204
5.4.3化學鏈水分解反應體系 205
5.5天然氫的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)作用水分解機理 207
思考題 209
參考文獻 210
第六章碳氫化合物分解制“綠氫”
導言 214
6.1生物質(zhì)簡介 214
6.1.1生物質(zhì)種類 214
6.1.2生物質(zhì)組分與結(jié)構(gòu) 215
6.2生物質(zhì)熱解氣化制氫 218
6.2.1熱解氣化過程 219
6.2.2氣化制氫工藝 224
6.2.3反應溫度的影響 225
6.2.4燃空當量比及氣化劑影響 225
6.2.5催化劑種類及活性 227
6.2.6熱解過程分析 229
6.2.7熱解制氫工藝及反應器 230
6.2.8氣化制氫吸附增強技術(shù) 231
6.2.9生物質(zhì)燃燒氣相污染物排放 231
6.2.10生物質(zhì)超臨界水氣化熱解制氫 233
6.3生物質(zhì)發(fā)酵制氫 234
6.3.1生物質(zhì)發(fā)酵制氫簡介 234
6.3.2生物質(zhì)發(fā)酵制氫主要過程 234
6.3.3生物質(zhì)發(fā)酵制氫影響因素 237
6.3.4氫酶結(jié)構(gòu) 238
6.3.5酶催化反應過程及機理 239
6.3.6生物質(zhì)發(fā)酵制氫反應器 241
6.3.7生物質(zhì)發(fā)酵制氫優(yōu)缺點 243
6.4廢棄塑料熱解制氫 243
6.4.1廢棄塑料及利用 243
6.4.2廢塑料熱解催化重整制氫 244
6.4.3微波催化裂解制氫 250
6.5生物甲醇-乙醇催化分解制氫 253
6.5.1甲醇裂解制氫 254
6.5.2乙醇催化重整制氫 255
6.5.3二甲醚分解制氫 257
6.6化學鏈烴化物分解制氫 258
6.6.1化學鏈分解制氫基本原理 258
6.6.2熱力學分析 259
6.6.3氧載體材料 260
6.6.4化學鏈分解制氫工藝 261
6.6.5化學鏈制氫案例 263
6.6.6化學鏈制氫反應器 266
6.6.7展望 268
思考題 268
參考文獻 269
第七章氫氣分離及提純
導言 272
7.1氫氣分離純化概述 272
7.1.1不同制氫工藝的主要雜質(zhì) 272
7.1.2氫氣分離純化的意義 273
7.1.3氫氣品質(zhì)國家標準 274
7.2深冷低溫分離法 274
7.2.1低溫冷凝法 274
7.2.2低溫吸附法 275
7.2.3氫同位素的分離 275
7.3變壓吸附分離提純法 276
7.3.1變壓吸附原理 277
7.3.2吸附劑種類 279
7.3.3變壓吸附基本步驟 281
7.3.4影響變壓吸附的主要因素 282
7.3.5變壓吸附特點 283
7.3.6變壓吸附氫氣提純的應用實例 283
7.4膜分離法 286
7.4.1溶解-擴散機理 287
7.4.2微孔擴散機理 288
7.4.3氫氣分離膜種類 288
7.4.4膜分離與變壓吸附耦合技術(shù) 298
7.5低溫甲醇洗凈化 301
7.5.1低溫甲醇洗工藝原理 301
7.5.2低溫甲醇洗工藝流程 301
7.5.3低溫甲醇洗工藝案例 302
7.6超音速氣體純化技術(shù) 303
7.7超純氫的制備及微量雜質(zhì)分析 305
7.7.1超純氫的制備 305
7.7.2超純氫中微量雜質(zhì)分析 307
7.7.3氫氣痕量雜質(zhì)分析方法及標準 308
7.7.4氣相色譜法分析烴類雜質(zhì)特點 309
思考題 311
參考文獻 312
第八章儲氫原理及供氫技術(shù)
導言 314
8.1氫氣儲運的重要性 314
8.2儲氫原理、材料、性能要求 315
8.2.1高壓氣體儲氫原理 317
8.2.2低溫液氫儲存 320
8.2.3物理吸附儲氫 325
8.2.4化學吸附儲氫 326
8.3固體儲氫材料及性能 332
8.4沸石分子篩儲氫 333
8.5碳基吸附儲氫材料 335
8.5.1活性炭 335
8.5.2碳納米管 336
8.6金屬有機框架材料儲氫 337
8.7氫化物儲氫原理及材料 339
8.7.1氫化物結(jié)構(gòu)及性能 339
8.7.2金屬合金氫化物儲氫 345
8.7.3配位氫化物儲氫 353
8.7.4展望 357
8.8有機液體儲氫 358
8.8.1傳統(tǒng)有機液體儲氫 359
8.8.2新型有機液體儲氫 360
8.9加氫站與供氫 364
8.9.1集中式加氫站供氫 364
8.9.2分布式加氫站供氫 364
思考題 367
參考文獻 368
第九章氫電轉(zhuǎn)化：燃料電池
導言 370
9.1氫燃料電池概述 370
9.1.1氫燃料電池基本概念 370
9.1.2燃料電池的發(fā)展簡史 370
9.2氫燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理 371
9.2.1氫燃料電池結(jié)構(gòu) 371
9.2.2氫燃料電池工作原理 372
9.3氫燃料電池反應熱力學 373
9.3.1電池電動勢 373
9.3.2燃料電池的效率 375
9.4燃料電池反應動力學 376
9.4.1法拉第定律 377
9.4.2電化學反應速率 378
9.4.3極化 378
9.4.4交換電流密度 382
9.4.5巴特勒-福爾默方程 382
9.5氫燃料電池特點 384
9.6氫燃料電池分類 384
9.7質(zhì)子交換膜燃料電池 385
9.7.1結(jié)構(gòu)和工作原理 386
9.7.2催化劑 386
9.7.3質(zhì)子交換膜 389
9.7.4膜電極組件 390
9.7.5雙極板 392
9.7.6流場 394
9.7.7應用 394
9.8堿性燃料電池 394
9.8.1工作原理 395
9.8.2結(jié)構(gòu) 395
9.8.3催化劑 396
9.8.4電極 400
9.8.5隔膜 401
9.8.6電解質(zhì) 402
9.8.7雙極板與流場 402
9.8.8應用與發(fā)展現(xiàn)狀 403
9.8.9堿性膜燃料電池 403
9.9磷酸燃料電池 406
9.9.1工作原理 406
9.9.2特點 407
9.9.3工作條件 407
9.9.4系統(tǒng)組成 408
9.9.5關(guān)鍵材料 408
9.9.6電池性能影響因素 410
9.9.7現(xiàn)狀與未來 412
9.10熔融碳酸鹽燃料電池 412
9.10.1概述 412
9.10.2工作原理 413
9.10.3關(guān)鍵材料與部件 414
9.10.4電池性能影響因素 416
9.10.5應用現(xiàn)狀 417
9.11固體氧化物燃料電池 418
9.11.1工作原理和結(jié)構(gòu) 418
9.11.2電解質(zhì) 419
9.11.3催化劑 420
9.11.4雙極板 422
9.11.5應用 422
思考題 422
參考文獻 423
第十章氫熱轉(zhuǎn)化：氫氧燃燒
導言 425
10.1氫能-熱能轉(zhuǎn)化及氫氧燃燒性能 425
10.1.1氫能-熱能轉(zhuǎn)化 425
10.1.2氫氣的燃燒特性 426
10.2燃燒機理及反應動力學 432
10.2.1氫氧燃燒反應機理 432
10.2.2燃燒反應速率 434
10.2.3污染物NOx生成機理 435
10.2.4氫氧燃燒方式 437
10.3氫內(nèi)燃機 439
10.3.1氫內(nèi)燃機發(fā)展簡史 439
10.3.2氫內(nèi)燃機燃氫特性 439
10.3.3氫內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)特點 441
10.3.4氫內(nèi)燃機技術(shù) 444
10.3.5氫內(nèi)燃機的問題與解決措施 448
10.3.6氫內(nèi)燃機應用 449
10.4氫燃氣輪機 450
10.4.1燃氣輪機簡介 450
10.4.2燃氣輪機原理 451
10.4.3燃氣輪機結(jié)構(gòu) 451
10.4.4燃氣輪機的簡單循環(huán) 453
10.4.5氫燃氣輪機先進技術(shù) 458
10.4.6甲烷摻氫燃氣輪機技術(shù) 458
10.4.7燃燒室及其結(jié)構(gòu)改進 459
10.4.8氫燃氣輪機應用案例 463
10.5液氫燃料火箭 464
10.5.1氫燃料火箭結(jié)構(gòu) 464
10.5.2氫燃料火箭工作原理 465
10.5.3氫燃料火箭性能及基本計算 465
10.5.4火箭發(fā)射推進原理 467
10.5.5液體燃料和氧化劑推進劑 468
10.5.6液氫低溫儲存技術(shù) 471
10.5.7氫燃料火箭優(yōu)點和不足 472
10.6氫燃料鍋爐 473
10.6.1氫燃料鍋爐基本結(jié)構(gòu) 473
10.6.2氫燃料鍋爐工作原理 473
10.6.3氫燃料鍋爐的安全性 474
10.7氫氧焰的利用：金屬切割和焊接 474
10.7.1氫氧焰切割 474
10.7.2氫氧焰焊接 475
思考題 476
參考文獻 477
第十一章氫烴轉(zhuǎn)化：加氫反應
導言 479
11.1原油加工與加氫裂化 479
11.1.1原油加工工藝 479
11.1.2催化裂化過程簡介 480
11.1.3加氫裂化 481
11.2汽油-柴油加氫脫硫 490
11.2.1加氫脫硫技術(shù)簡介 490
11.2.2硫化物反應活性特點 491
11.2.3加氫脫硫催化劑 492
11.2.4加氫脫硫催化劑活性相結(jié)構(gòu) 493
11.2.5加氫脫硫反應動力學 497
11.2.6汽油催化加氫脫硫 499
11.2.7柴油催化脫硫 502
11.3渣油催化加氫提質(zhì)技術(shù) 504
11.3.1渣油加氫提質(zhì)簡介 504
11.3.2渣油加氫提質(zhì)的化學反應 505
11.3.3渣油加氫工藝 509
11.4煤炭直接液化 512
11.4.1煤炭加氫液化 512
11.4.2煤的元素含量及化學組分 513
11.4.3煤炭直接液化簡史與工藝 513
11.4.4煤炭直接液化反應機理 516
11.4.5煤炭直接液化典型工藝 517
11.4.6煤炭直接液化產(chǎn)物分布 518
11.5費-托合成 519
11.5.1費-托合成簡介 519
11.5.2費-托合成動力學及ASF規(guī)則 520
11.5.3費-托合成催化劑 521
11.5.4費-托催化反應機理 522
11.5.5費-托合成工藝及技術(shù) 523
11.5.6費-托合成的產(chǎn)物質(zhì)量選擇性分布 524
11.6 CO/CO2加氫制甲烷 525
11.6.1甲烷化反應簡介 525
11.6.2甲烷化反應特點及影響因素 526
11.6.3甲烷化催化劑 526
11.6.4CO甲烷化 527
11.6.5CO2甲烷化 528
11.6.6國外甲烷化技術(shù)路線 529
11.6.7國內(nèi)甲烷化技術(shù)路線 529
11.7 CO/CO2加氫合成甲醇 530
11.7.1甲醇的重要性 530
11.7.2合成氣制甲醇工藝 531
11.7.3CO2加氫制甲醇綠色工藝 533
11.7.4展望 534
思考題 535
參考文獻 537
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