能源，包括煤炭、石油、天然氣等不可再生的化石能源，以及核能(核裂變和核聚變)、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮�、海洋能、生物質(zhì)能和氫能等新能源和可再生能源，是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要引擎，為經(jīng)濟(jì)增長和人類文明發(fā)展提供原始動力。目前我國已成為世界最大的能源生產(chǎn)國和能源消費(fèi)國。煤炭、油氣、電力、新能源和能源裝備產(chǎn)業(yè)全面繁榮，多個領(lǐng)域在規(guī)模和技術(shù)上都領(lǐng)先全球。在人類活動中，能源活動是溫室氣體排放的最主要貢獻(xiàn)來源，近年來全球氣候變化引發(fā)了一系列的極端天氣事件（如高溫?zé)崂�、暴雨洪水、干旱等），直接影響到人們的生產(chǎn)生活和生命安全，能源轉(zhuǎn)型已成為減緩全球氣候變化的首要議題。
自《巴黎協(xié)定》簽署以來，碳中和逐漸成為全球各主要經(jīng)濟(jì)體的重要目標(biāo)。主席在2020年9月聯(lián)合國大會宣布，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳中和作為全球主要經(jīng)濟(jì)體應(yīng)對氣候變化的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，其核心是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。當(dāng)今世界，百年未有之大變局加速演進(jìn)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，新能源和信息技術(shù)緊密融合，能源轉(zhuǎn)型正如火如荼地快速推進(jìn)，生產(chǎn)生活方式加快轉(zhuǎn)向低碳化、智能化，能源體系和發(fā)展模式正在進(jìn)入非化石能源主導(dǎo)的嶄新階段。能效技術(shù)、可再生能源電力、電動汽車、氫能汽車、氫冶金等技術(shù)的發(fā)展與推廣為能源轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)選項(xiàng)，電力生產(chǎn)的零碳化和終端用能的電氣化將是全球應(yīng)對氣候變化的首要切入點(diǎn)。
可再生能源（特別是非水可再生能源）發(fā)電技術(shù)不同于化石能源發(fā)電技術(shù)，前者的供應(yīng)表現(xiàn)出高度的波動性與不確定性，而后者則可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)和靈活調(diào)節(jié)。新型電力系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模存儲，儲能 技術(shù)將在供給側(cè)保障可再生能源提供可控、穩(wěn)定輸出的綠色電力，在電網(wǎng)側(cè)大幅提升電力系統(tǒng)在多時間尺度下的靈活調(diào)節(jié)能力，在需求側(cè)則賦能用戶的需求彈性。儲能行業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、達(dá)成雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的重要技術(shù)保障。發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力是實(shí)現(xiàn)我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、保障能源安全的關(guān)鍵路徑，為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、推動高質(zhì)量發(fā)展培養(yǎng)急需人才，辦公廳、國家發(fā)展改革委辦公廳、國家能源局綜合司聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施儲能技術(shù)國家急需高層次人才培養(yǎng)專項(xiàng)的通知》，以增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和自主創(chuàng)新能力，推動儲能高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展。
為此，在吸收能源化學(xué)的新進(jìn)展和科研成果的基礎(chǔ)上，此次再版，增補(bǔ)、修訂和完善了有關(guān)內(nèi)容。例如， 在第1章，針對碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)和黨的二十大報(bào)告，刪除原1.5.3 中國的能源環(huán)境內(nèi)容，重新編寫。針對實(shí)現(xiàn)中國式現(xiàn)代化目標(biāo)，修改1.7.4 結(jié)構(gòu)變化趨勢及1.8.3 中國提高能源供應(yīng)能力的措施內(nèi)容。第2章，針對煤炭在我國能源安全的壓艙石作用，以及潔凈煤技術(shù)面向2035年的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，增加減碳方式及CO2轉(zhuǎn)化等內(nèi)容。第5章，增加自主開發(fā)的華龍一號和CAP1400先進(jìn)壓水堆（國和一號）等內(nèi)容。第6章，增加鈣鈦礦太陽能電池等內(nèi)容。針對儲能行業(yè)作為高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，第11章增加非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能、超級電容器儲能、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、鈉離子電池、儲能系統(tǒng)的消防管理等內(nèi)容。第12章，增加耦合CCUS制氫液氨儲氫甲醇儲氫氫儲能等內(nèi)容。以更好地適應(yīng)時代和科技的發(fā)展，助力高層次人才培養(yǎng)和行業(yè)發(fā)展。
黨的二十大報(bào)告明確提出，要全面建成社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)第二個百年奮斗目標(biāo)，以中國式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興。自然資源、環(huán)境等越來越成為約束經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的內(nèi)在因素，加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，深入貫徹落實(shí)四個革命、一個合作能源安全新戰(zhàn)略，力爭如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是推動實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是實(shí)現(xiàn)中國式現(xiàn)代化綠色發(fā)展的內(nèi)在要求和必須承擔(dān)的國際義務(wù)。能源化學(xué)作為新興交叉學(xué)科領(lǐng)域，其高速、健康發(fā)展將對推動能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，國家能源安全、國民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平提高產(chǎn)生重要的積極影響，也對培養(yǎng)支撐能源化學(xué)領(lǐng)域核心技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層次緊缺人才，提升能源化學(xué)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力和戰(zhàn)略核心科技作出更大貢獻(xiàn)。
本書自2004年面世以來，得到很多同行及讀者的關(guān)心與支持，已被一些高校與研究所選為學(xué)生的教材或主要參考書，許多讀者對再版提出了不少寶貴意見，我們在2014年進(jìn)行了修訂再版，此次為第三版。在再版修訂過程中，許多讀者和化學(xué)工業(yè)出版社的編輯提出了很多寶貴的意見和建議，在此向他們表示最真摯的謝意和衷心的感謝。
本書雖經(jīng)努力修訂，但仍難免有不當(dāng)之處，敬請廣大讀者繼續(xù)批評指正。

編著者
2024年8月于天津

第1版前言
能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類從事各種經(jīng)濟(jì)活動的原動力，也是人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。能源、材料與信息被稱為現(xiàn)代社會繁榮和發(fā)展的三大支柱，已成為人類文明進(jìn)步的先決條件。從人類利用能源的歷史中可以清楚地看到，每一種能源的發(fā)現(xiàn)和利用都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。能源科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破也都帶來世界性的產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)飛躍，從而極大地推動著社會的進(jìn)步。國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能源先行，而能源供應(yīng)水平(包含能源的人均占有量、能源構(gòu)成、能源使用率和能源對環(huán)境的影響因素等)也標(biāo)志著一個國家的發(fā)達(dá)程度。
能源的分類方法有很多種，按其形成方式不同可分為一次能源和二次能源，按其可否再生可分為可再生能源和非再生能源，按其使用成熟程度不同可分為新能源和常規(guī)能源，按其使用性質(zhì)不同可分為含能體能源和過程性能源，按其是否作為商品流通可分為商品能源和非商品能源，按其是否清潔可分為清潔(綠色)能源和非清潔能源。以可再生能源和非再生能源為例，前者包括太陽能、生物質(zhì)能、水能、氫能、風(fēng)能、地?zé)崮�、海洋能等，而后者包括煤炭、石油、天然氣等化石能源�?br />化學(xué)作為一門中心科學(xué)與化學(xué)工業(yè)作為一門關(guān)鍵技術(shù)已在20世紀(jì)為人類的科學(xué)發(fā)展和社會進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。能源化學(xué)作為化學(xué)的一門重要分支學(xué)科，是利用化學(xué)與化工的理論與技術(shù)來解決能量轉(zhuǎn)換、能量儲存及能量傳輸問題，以更好地為人類生活服務(wù)。物質(zhì)不滅，能量永恒。但物質(zhì)可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而能量也可以從一種能量轉(zhuǎn)化為另一種能量。在這些轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)換過程中，能源化學(xué)因其化學(xué)反應(yīng)直接或通過化學(xué)制備材料技術(shù)間接實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與儲存。
化學(xué)變化都伴隨著能量的變化，而能源的使用實(shí)質(zhì)就是能量形式的轉(zhuǎn)化過程。能量轉(zhuǎn)化包括同種能量轉(zhuǎn)化和不同種能量轉(zhuǎn)化，又包括能量的直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化。化學(xué)反應(yīng)是能量轉(zhuǎn)化的重要技術(shù)。能量的化學(xué)轉(zhuǎn)化主要利用熱化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)等。例如，化學(xué)電源中的燃料電池是一種避開卡諾循環(huán)的發(fā)電裝置，可通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接、高效、清潔地轉(zhuǎn)化為電能，因而燃料電池被認(rèn)為是今后首選的潔凈高效發(fā)電技術(shù)。
中國現(xiàn)代能源工業(yè)的出現(xiàn)至今雖已有百年的歷史，但是在鴉片戰(zhàn)爭之后，舊中國在相當(dāng)長的時期內(nèi)一直處于半封建半殖民地的社會狀態(tài)，工業(yè)化進(jìn)程非常緩慢，經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平低下，商品能源的開發(fā)利用水平也很低。
新中國成立以來，中國能源工業(yè)在許多領(lǐng)域已接近或趕上世界先進(jìn)水平。中國自然資源總量排世界第七位，能源資源總量居世界第三位，水力的可開發(fā)裝機(jī)容量居世界首位。新能源與可再生能源資源豐富，而太陽能、生物質(zhì)能、海洋能等儲量更是屬于世界領(lǐng)先地位。目前中國能源工業(yè)已經(jīng)形成了以煤炭為主、多能互補(bǔ)的能源生產(chǎn)體系。中國的一次能源消費(fèi)已排在世界第二位。但因我國人口眾多，能源資源相對匱乏，且分布極不均衡，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半，石油僅為1/10。因此，為保持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，一方面要充分利用已有的能源供應(yīng)體系，另一方面又要積極開發(fā)新能源與可再生能源。
能源的高效、清潔利用將是21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)與工程的前沿性課題，這也正是能源化學(xué)面臨的光榮而又艱巨的任務(wù)。
化石能源要高效與清潔生產(chǎn)，材料需不斷改進(jìn)；核能要得到不斷發(fā)展，材料是關(guān)鍵之一；可再生能源(特別是太陽能、氫能、生物質(zhì)能)的利用雖然誘人，材料是瓶頸。能源生產(chǎn)與節(jié)能的先進(jìn)技術(shù)無一不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎(chǔ)之上。新能源的發(fā)展一方面靠利用新的原理(如核聚變反應(yīng)、光伏效應(yīng)、酶催化等)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面還必須靠新材料的開發(fā)與應(yīng)用，才能使新的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步提高效率，降低成本。因此，新能源材料已成為材料、化學(xué)、物理、生物、能源、環(huán)境等諸多學(xué)科相互交叉滲透的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。新能源材料的最大特點(diǎn)是在提供能量的高效轉(zhuǎn)化與儲存時實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，即充分利用參與反應(yīng)的原料原子實(shí)現(xiàn)零排放，以獲得最佳原子經(jīng)濟(jì)性，因而新能源材料對解決能源危機(jī)及其所造成的環(huán)境污染起著關(guān)鍵作用。而新能源材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)與現(xiàn)象、使用性能等都是以能源化學(xué)為基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)。因此，能源化學(xué)不論是在常規(guī)能源的綜合利用還是在新能源的研究開發(fā)中均擔(dān)當(dāng)重任。
應(yīng)該指出，我國廣大的科技工作者在能源化學(xué)領(lǐng)域開展了比較深入、系統(tǒng)的研究，并取得了許多新成果，從而為國家發(fā)展及科技進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。為適應(yīng)未來能源發(fā)展的需求，很有必要對現(xiàn)有的能源知識進(jìn)行總結(jié)。作者在總結(jié)國內(nèi)外最新能源科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的科研成果與積累，探索性地編寫了這本《能源化學(xué)》。本書包含10章，分別介紹能源、煤炭、石油、天然氣、太陽能、氫能、核能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芗叭剂想姵�。本書較全面地反映了國內(nèi)外能源及能源化學(xué)領(lǐng)域的基本概念、基本理論等基本知識，概括了其研究、開發(fā)、應(yīng)用及前景。希望本書有助于讀者較好地了解能源化學(xué)所起的關(guān)鍵作用及進(jìn)行新能源開發(fā)的必要性。
作者對南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陳洪淵院士之推薦及化學(xué)工業(yè)出版社之約深表感謝，對課題組李鎖龍、徐麗娜等同志在資料整理及編寫過程中的大力幫助也要說謝謝，同時對、國家自然科學(xué)基金委員會、南開大學(xué)給予的支持深表謝意，最后對給予本書以啟示及參考的有關(guān)文獻(xiàn)作者及多功能化信息網(wǎng)絡(luò)予以致謝。
科技發(fā)展日新月異，文獻(xiàn)浩如煙海，難以全面收集與一一注明，再由于編著者水平有限，書中難免有疏漏與不妥之處，敬請專家與讀者予以批評指正。

編著者
2004年1月于天津

第2版前言
《能源化學(xué)》（第1版）于2004年3月出版至今已經(jīng)十年了，在這期間能源化學(xué)作為重要科技，與清潔能源、節(jié)能環(huán)保、新興產(chǎn)業(yè)等緊密融合，在推動科技進(jìn)步，改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人民生活質(zhì)量和滿足社會重大需求方面都擔(dān)當(dāng)重任，能源化學(xué)也因此得到發(fā)展并不斷充實(shí)和提高。
能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，包括煤炭、石油、天然氣等不可再生的化石能源，以及核能（核裂變和核聚變）、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽�、生物質(zhì)能和氫能等新能源和可再生能源。限于篇幅，已經(jīng)成稿的風(fēng)能和海洋能部分未在第1版收錄。隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，這一部分所占比重有增加的趨勢。
在2009年底哥本哈根世界氣候大會前夕，我國提出到2020年單位GDP二氧化碳排放量將比2005年下降40%~45%，通過大力發(fā)展可再生能源、積極推進(jìn)核電建設(shè)等行動，爭取到2020年非化石能源占一次性能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右等自主減排行動目標(biāo)，這是我國統(tǒng)籌國內(nèi)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對氣候變化所作的戰(zhàn)略選擇。要實(shí)現(xiàn)這兩個剛性指標(biāo)，一是從總量上合理控制能源消費(fèi)，提高能源效率，促進(jìn)節(jié)能；二是改善能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源和可再生能源，促進(jìn)GDP能源強(qiáng)度和CO2強(qiáng)度較大幅度的下降，努力建設(shè)以低碳排放為特征的產(chǎn)業(yè)體系和消費(fèi)方式，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳發(fā)展。
為此，在吸收能源化學(xué)的新進(jìn)展和科研成果的基礎(chǔ)上，此次再版，增補(bǔ)、修訂和完善了有關(guān)內(nèi)容。例如，考慮到大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽能等可再生能源在未來能源中的重要地位，以及實(shí)施海洋戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)國的發(fā)展戰(zhàn)略，特地新增了風(fēng)能（第7章）、海洋能（第10章）；針對可再生能源發(fā)展面臨電力品質(zhì)差和并網(wǎng)難、建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)等電網(wǎng)新技術(shù)的瓶頸問題，新增儲能技術(shù)（第11章）。同時，對于低碳技術(shù)的研究和應(yīng)用，在其他章節(jié)的研究內(nèi)容也做了相關(guān)修改補(bǔ)充，如在第1章的能源與經(jīng)濟(jì)、碳排放與減排，第2章的潔凈煤技術(shù)、CO2的捕集與封存技術(shù)，第3章的能源安全，第4章的非常規(guī)天然氣、頁巖氣，第5章的核燃料循環(huán)等都是新增的內(nèi)容；原來的第6章氫能與第10章燃料電池合并為現(xiàn)在的第12章氫能與燃料電池。這樣全書共12章，對人類社會所使用的能源及對通過化學(xué)反應(yīng)、化工制備材料技術(shù)直接或間接地實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與儲存的能源化學(xué)進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的介紹。
本書自2004年面世以來，得到很多同行及讀者的關(guān)心與支持，已被一些高校與研究所選為學(xué)生的教材或主要參考書，許多讀者對再版提出了不少寶貴意見；在再版修訂過程中，化學(xué)工業(yè)出版社的編輯提出了寶貴的意見和建議，在此向他們表示最真摯的謝意。
本書雖經(jīng)努力修訂，但仍難免有不當(dāng)之處，敬請廣大讀者批評指正。

陳軍
2014年2月于南開大學(xué)
天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心