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第1章鉑基和非鉑基氧還原催化劑納米材料001
魏子棟（重慶大學化學化工學院）
1.1　概述 002
1.2　氧還原催化機理 003
1.3　鉑基催化劑 008
1.3.1　晶面調(diào)控 010
1.3.2　構(gòu)建雙金屬或多金屬體系 012
1.3.3　表面修飾 021
1.3.4　載體增強 025
1.4　非鉑基催化劑 031
1.4.1　Pd基催化劑 031
1.4.2　非貴金屬催化劑 034
1.4.3　非金屬催化劑 038
1.5　總結(jié)與展望 046
參考文獻 046

第2章碳基非貴金屬氧還原催化劑納米材料065
楊曉冬，周志有，陳馳，王宇成，孫世剛
（廈門大學能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室，廈門大學化學化工學院）
2.1　概述 066
2.2　碳基非貴金屬氧還原催化劑的發(fā)展歷程 067
2.3　碳基非貴金屬催化劑的制備技術(shù) 068
2.3.1　高溫熱解法 068
2.3.2　高溫熱解催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計 072
2.3.3　非熱解法 078
2.4　碳基非貴金屬催化劑的活性位結(jié)構(gòu)研究 080
2.4.1　碳缺陷活性位 080
2.4.2　氮摻雜碳活性位 081
2.4.3　Fe/N/C活性位 083
2.5　碳基非貴金屬催化劑在燃料電池中的應(yīng)用 089
2.5.1　在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用 090
2.5.2　在陰離子交換膜燃料電池中的應(yīng)用 092
2.5.3　在甲醇燃料電池中的應(yīng)用 093
2.5.4　碳基非貴金屬催化劑的傳質(zhì) 094
2.6　總結(jié)與展望 095
參考文獻 096

第3章質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池陽極催化劑納米材料103
周小春，楊輝（中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，中國科學院上海高等研究院）
3.1　概述 104
3.2　基本原理和表征方法 105
3.2.1　氫的電氧化原理 105
3.2.2　陽極納米催化劑的表征方法 106
3.3　陽極納米催化劑的主要研究進展 110
3.3.1　自增濕催化劑 110
3.3.2　超低載量方法 115
3.3.3　非鉑催化劑 120
3.4　總結(jié)與展望 124
參考文獻 124

第4章直接醇類燃料電池陽極電催化納米材料131
廖世軍（華南理工大學化學與化工學院）
4.1　概述 132
4.2　直接醇類燃料電池陽極反應(yīng)及其一般機理 133
4.3　直接甲醇燃料電池陽極催化劑納米材料 135
4.3.1　PtRu二元合金納米粒子催化劑 135
4.3.2　PtRu/氧化物催化劑 138
4.3.3　PtRuX三元催化劑 139
4.4　直接乙醇燃料電池陽極催化劑納米材料 141
4.4.1　單組分貴金屬催化劑 141
4.4.2　雙組分貴金屬催化劑 142
4.4.3　三組分金屬催化劑 145
4.4.4　非貴金屬催化劑體系 146
4.5　其他醇類燃料電池陽極催化劑納米材料 147
4.6　總結(jié)與展望 149
參考文獻 150

第5章鋰-空氣電池碳基催化劑納米材料157
張新波（中國科學院長春應(yīng)用化學研究所）
5.1　概述 158
5.1.1　鋰-空氣電池發(fā)展背景 158
5.1.2　鋰-空氣電池的工作原理和分類 159
5.1.3　鋰-空氣電池的基本組成及關(guān)鍵材料 161
5.2　碳電催化納米材料 162
5.2.1　分類及電化學性能 163
5.2.2　在鋰-空氣電池中的反應(yīng)機理 169
5.3　碳載金屬/金屬氧化物復合電催化納米材料 170
5.3.1　制備方法 171
5.3.2　在鋰-空氣電池中的催化機理及電化學性能 177
5.3.3　選擇、設(shè)計與開發(fā) 181
5.4　雜原子摻雜碳基電催化納米材料 183
5.4.1　雜原子摻雜碳基電催化納米材料的制備 183
5.4.2　催化機理及電化學性能 184
5.5　總結(jié)與展望 188
參考文獻 188

第6章鋰-空氣電池正極催化劑納米材料193
何平，周豪慎（南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院）
6.1　概述 194
6.1.1　研究背景和基本原理 194
6.1.2　有機體系 195
6.1.3　組合電解液 199
6.1.4　全固態(tài)電解質(zhì) 202
6.1.5　小結(jié) 203
6.2　碳基納米催化材料 205
6.2.1　多孔碳 205
6.2.2　碳納米線/管 207
6.2.3　石墨烯 209
6.2.4　三維結(jié)構(gòu)碳基材料 211
6.2.5　碳基摻雜材料 213
6.3　貴金屬 215
6.3.1　金、鉑、鈀 215
6.3.2　釕與氧化釕 217
6.3.3　貴金屬基復合材料 219
6.4　納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物 220
6.4.1　錳氧化物 221
6.4.2　鈷氧化物 222
6.4.3　鎳氧化物 224
6.4.4　復合氧化物 225
6.5　可溶性催化劑 226
6.5.1　多環(huán)類氧化還原電對 227
6.5.2　碘化物 228
6.5.3　水 229
6.6　總結(jié)與展望 230
參考文獻 230

第7章環(huán)境污染物電催化處理納米材料237
周明華（南開大學環(huán)境科學與工程學院）
7.1　概述 238
7.1.1　環(huán)境電化學的發(fā)展 238
7.1.2　環(huán)境電催化 239
7.1.3　環(huán)境電催化納米材料 240
7.2　陽極氧化 241
7.2.1　概述 241
7.2.2　過程影響因素和特征參數(shù) 244
7.2.3　金屬陽極及其環(huán)境應(yīng)用 247
7.2.4　金屬氧化物陽極及其環(huán)境應(yīng)用 248
7.2.5　碳材料陽極及其環(huán)境應(yīng)用 253
7.3　陰極電化學還原 256
7.3.1　概述 256
7.3.2　電芬頓 258
7.4　總結(jié)與展望 268
參考文獻 269

第8章光電解水電催化納米材料275
申燕，王鳴魁（武漢光電國家研究中心，華中科技大學光學與電子信息學院）
8.1　概述 276
8.1.1　光電解水的原理 278
8.1.2　光電化學池 279
8.1.3　光電解水效率 280
8.1.4　太陽能-化學能轉(zhuǎn)換效率 281
8.2　半導體光電化學 282
8.2.1　半導體/液體接觸物理 282
8.2.2　光電解水體系界面能級優(yōu)化 283
8.2.3　光照條件下半導體/液體界面體動力學 284
8.3　光陰極析氫過程 285
8.3.1　光電解水析氫反應(yīng)機理 286
8.3.2　光陰極材料 287
8.4　光陽極材料 291
8.4.1　過渡金屬氧化物光陽極材料 291
8.4.2　染料敏化半導體光陽極材料 296
8.4.3　影響光陽極性能的因素 301
8.5　電催化劑對光電極的影響 302
8.5.1　析氫催化劑材料 303
8.5.2　析氧催化劑材料 303
8.5.3　催化劑微納結(jié)構(gòu)對光電極效率的影響 304
8.6　總結(jié)與展望 305
參考文獻 306

第9章生物燃料電池電催化納米材料317
朱俊杰（南京大學化學化工學院）
9.1　概述 318
9.1.1　酶生物燃料電池 319
9.1.2　微生物燃料電池 320
9.2　酶生物燃料電池電催化納米材料 322
9.2.1　碳材料 322
9.2.2　金屬納米粒子 329
9.2.3　納米結(jié)構(gòu)導電聚合物 331
9.2.4　復合材料 332
9.3　微生物燃料電池電催化納米材料 339
9.3.1　MFC陽極電催化納米材料 339
9.3.2　MFC陰極電催化納米材料 345
9.4　總結(jié)與展望 349
參考文獻 351

第10章微生物制備納米材料的電子傳遞機制及其應(yīng)用361
趙峰，吳雪娥，姜艷霞（中國科學院城市環(huán)境研究所，廈門大學化學化工學院）
10.1　概述 362
10.2　胞外電子傳遞 363
10.2.1　直接胞外電子傳遞 363
10.2.2　間接胞外電子傳遞 365
10.3　微生物制備的納米材料 366
10.3.1　納米材料與電子 366
10.3.2　納米材料與熒光 370
10.3.3　納米材料與磁性 373
10.4　微生物電化學的分析方法 374
10.4.1　循環(huán)伏安和微分脈沖 375
10.4.2　計時電流 376
10.4.3　微生物電化學原位紅外光譜 377
10.4.4　掃描探針顯微技術(shù) 378
10.5　總結(jié)與展望 379
參考文獻 380

第11章有機分子合成電催化納米材料385
王歡，陸嘉星（華東師范大學化學與分子工程學院，上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室）
11.1　概述 386
11.2　金屬納米材料 388
11.2.1　單金屬納米材料在電催化合成中的應(yīng)用 388
11.2.2　雙金屬納米材料在電催化合成中的應(yīng)用 399
11.3　碳基納米材料 406
11.3.1　硼摻雜金剛石電極在有機電合成中的應(yīng)用 406
11.3.2　功能化碳電極在有機電合成中的應(yīng)用 409
11.4　聚合物納米材料 411
11.4.1　聚合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 411
11.4.2　負載金屬（金屬氧化物）/聚合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 414
11.4.3　金屬有機配合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 415
11.5　其他新型復合納米材料 417
11.5.1　生物堿@Ag納米材料在不對稱電催化還原中的應(yīng)用 417
11.5.2　[Co]@Ag納米材料在不對稱電催化羧化C—X中的應(yīng)用 420
11.5.3　負載Ag分子篩納米材料在電催化還原中的應(yīng)用 422
11.6　總結(jié)與展望 424
參考文獻 425

第12章CO2還原電催化納米材料433
賈法龍（華中師范大學化學學院）
12.1　概述 434
12.2　電催化還原CO2的原理 436
12.2.1　水溶液體系中CO2電催化還原 436
12.2.2　非水溶液體系中CO2電催化還原 439
12.2.3　CO2電催化還原的主要影響因素 440
12.3　電催化還原CO2研究方法 441
12.3.1　儀器裝置和產(chǎn)物分析 441
12.3.2　反應(yīng)機理研究 442
12.4　催化CO2電化學還原的納米材料 444
12.4.1　銅族納米材料 444
12.4.2　鉑族納米材料 459
12.4.3　其他過渡金屬納米材料 463
12.4.4　p區(qū)部分金屬納米材料 470
12.4.5　金屬氧化物及碳材料 472
12.5　總結(jié)與展望 477
參考文獻 478

第13章水電催化納米材料483
胡吉明，伍廉奎（浙江大學化學系）
13.1　概述 484
13.2　析氫電催化納米材料 484
13.2.1　析氫反應(yīng)及其基本反應(yīng)歷程 485
13.2.2　貴金屬析氫反應(yīng)電催化納米材料 491
13.2.3　其他析氫反應(yīng)電催化納米材料 494
13.3　析氧電催化納米材料 503
13.3.1　析氧反應(yīng)的基本特征 504
13.3.2　析氧反應(yīng)電催化活性理論 505
13.3.3　析氧反應(yīng)的電催化機制 511
13.3.4　鈦基氧化物涂層電極 514
13.3.5　其他電催化析氧納米材料 524
13.4　析氯電催化納米材料 528
13.4.1　析氯反應(yīng)及其基本特征 529
13.4.2　Ti基RuO2納米涂層電極 534
13.4.3　其他析氯反應(yīng)電催化納米材料 539
參考文獻 541

索引 558

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前言/序言

隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，發(fā)展化石能源清潔、高效利用技術(shù)，開發(fā)太陽能、風能等可再生能源，以及實現(xiàn)新物質(zhì)綠色合成等成為當前社會發(fā)展的重大需求和科學技術(shù)的前沿。電化學能源轉(zhuǎn)換不受熱機卡諾循環(huán)的限制，清潔高效；電化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化以電子為氧化劑或還原劑、綠色環(huán)保；電化學能量儲存一方面為移動電器和電動車提供電源，另一方面則為間歇性、可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用提供有力的支撐。電催化是電化學能源轉(zhuǎn)換、能量儲存和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的核心科學和技術(shù)，在解決當今能源和環(huán)境問題中扮演著關(guān)鍵的角色。同時，電催化還在太陽能、生物質(zhì)能等的綜合利用，氫能源，納米材料和功能材料制備，液體燃料合成和轉(zhuǎn)化，電解、水處理和有機電化學等工業(yè)，以及生物傳感等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。
電催化的關(guān)鍵是電催化劑。在電催化體系中，可以在溫和條件下（常溫、常壓）調(diào)變界面電場，控制化學反應(yīng)朝著希望的方向進行。高性能的電催化劑通過改變反應(yīng)途徑降低反應(yīng)的活化能，具有高催化活性、高選擇性和耐久性。電催化涉及反應(yīng)分子與電催化劑表面的相互作用，電荷轉(zhuǎn)移，反應(yīng)分子吸附、解離、轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵步驟都發(fā)生在電極表面。因此，電催化劑的性能主要取決于表面結(jié)構(gòu)，即化學結(jié)構(gòu)（組成）、幾何結(jié)構(gòu)（原子排列結(jié)構(gòu)）、電子結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)。近年來納米科技迅速發(fā)展，促進了電催化納米材料的研究和應(yīng)用，原始創(chuàng)新和應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)。從納米尺度和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計高性能電催化劑，發(fā)展納米材料形貌和結(jié)構(gòu)控制合成方法，并應(yīng)用于各種實際電催化體系，不僅豐富了電催化劑的內(nèi)涵，而且拓展了電催化的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用。