本書為“低維材料與器件叢書”之一。作者全面而深入地介紹了單原子催化材料的理論基礎和應用，并對國內(nèi)外研究進展進行了梳理和總結。第1章從電子與光電子角度分析了單原子催化材料的結構特點；第2～4章介紹了單原子催化材料的制備方法與表征技術，既囊括了主流且成熟的合成方法，又簡要介紹了新興且富有潛力的制備技術；第5～8章介紹了單原子催化材料在熱催化、電催化、光催化和儲能電池領域中的熱門應用，同時總結了單原子催化材料在這些應用領域中的優(yōu)勢、現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)；第9章系統(tǒng)梳理了單原子催化材料的理論設計；第10章介紹了單原子催化材料在尖端應用領域取得巨大的成就，并對未來發(fā)展方向進行了前瞻性展望。
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目錄
總序
前言
第1章 緒論 1
1.1 碳中和愿景下的催化需求 1
1.2 催化反應基本原理 2
1.3 單原子催化劑的提出與發(fā)展 12
1.4 單原子催化材料的研究思路 16
參考文獻 16
第2章 單原子催化材料的電子和光電子性質(zhì) 20
2.1 石墨烯基單原子催化材料 20
2.1.1 幾何結構及電子結構 21
2.1.2 模型種類及合成方法 23
2.1.3 光/電催化領域中的應用 27
2.2 g-C3N4基單原子催化材料 31
2.2.1 幾何結構及電子結構 31
2.2.2 模型種類及合成方法 33
2.2.3 光/電催化領域中的應用 34
2.3 二硫化物基單原子催化材料 36
2.3.1 幾何結構及電子結構 37
2.3.2 模型種類及合成方法 38
2.3.3 光/電催化領域中的應用 42
2.4 缺陷對單原子催化材料電子和光電子性質(zhì)的影響 44
2.4.1 點缺陷 44
2.4.2 位錯與晶界 47
總結與展望 48
參考文獻 49
第3章 單原子催化材料的制備方法 56
3.1 電化學合成法 56
3.2 化學氣相沉積法 59
3.3 原子層沉積法 61
3.4 水熱合成和溶劑熱合成法 62
3.5 熱解法 63
3.6 球磨法 67
3.7 浸漬法 68
3.8 光化學合成法 70
總結與展望 71
參考文獻 72
第4章 單原子催化材料的表征 77
4.1 原子尺度微觀形貌表征 78
4.1.1 透射電子顯微鏡 78
4.1.2 掃描隧道顯微鏡 81
4.1.3 原子力顯微鏡 83
4.2 原子尺度電子結構表征 84
4.2.1 X射線吸收譜 84
4.2.2 X射線光電子能譜 87
4.3 其他表征方式 89
4.3.1 電子能量損失譜 89
4.3.2 傅里葉變換紅外光譜 90
4.3.3 電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜 91
4.3.4 第一性原理計算分析電子結構 93
總結與展望 98
參考文獻 99
第5章 單原子催化材料的熱催化應用 107
5.1 熱催化氧化反應 108
5.1.1 甲烷氧化 108
5.1.2 苯氧化 115
5.1.3 乙苯氧化 118
5.2 熱催化加氫反應 122
5.2.1 纖維素加氫 122
5.2.2 炔烴選擇性加氫 123
5.2.3 其他加氫反應 127
總結與展望 133
參考文獻 133
第6章 單原子催化材料的電催化應用 144
6.1 電催化的基本參數(shù) 144
6.2 電催化氧化反應 148
6.2.1 析氧反應 148
6.2.2 氫氧化反應 152
6.2.3 其他氧化反應 153
6.3 電催化還原反應 156
6.3.1 析氫反應 156
6.3.2 CO2還原反應 159
6.3.3 氧氣還原反應 163
總結與展望 166
參考文獻 167
第7章 單原子催化材料的光催化應用 173
7.1 光解水反應 174
7.1.1 光解水析氧反應 174
7.1.2 光解水析氫反應 179
7.2 光催化CO2還原反應 183
7.3 其他反應 187
7.3.1 雙酚A降解反應 187
7.3.2 羅丹明B降解反應 189
7.3.3 其他污染物降解反應 191
總結與展望 196
參考文獻 197
第8章 單原子催化材料在儲能領域的應用 208
8.1 鋰-空氣電池 209
8.1.1 鋰-氧氣電池 210
8.1.2 鋰-二氧化碳電池 215
8.2 鋰金屬電池 218
8.3 鋰硫電池 220
8.3.1 單原子催化材料修飾陰極 221
8.3.2 單原子催化材料包覆隔膜 223
8.4 鈉離子電池 225
8.5 鈉硫電池 228
8.6 鋅-空氣電池 231
8.6.1 鐵單原子催化劑 232
8.6.2 鈷單原子催化劑 234
8.6.3 其他金屬單原子催化劑 234
總結與展望 236
參考文獻 237
第9章 單原子催化材料的理論設計 248
9.1 特定電子和光電子性質(zhì)的逆向工程設計 248
9.1.1 缺陷設計 249
9.1.2 元素摻雜 252
9.1.3 軸向配位工程 257
9.1.4 異質(zhì)結構建 260
9.2 反應優(yōu)化設計 262
9.2.1 活性設計 263
9.2.2 選擇性設計 265
9.3 高通量篩選 266
9.3.1 反應描述符構建 267
9.3.2 機器學習模型輔助設計 270
總結與展望 273
參考文獻 273
第10章 單原子催化材料的潛在應用探索 281
10.1 仿生藥物 282
10.2 電化學生物傳感器 284
10.3 基因編輯 286
10.4 交通航天動力系統(tǒng) 288
10.5 凈化裝置 290
10.6 氣體捕獲、分離與儲存 292
10.7 可穿戴柔性電子設備 294
10.8 光伏器件 296
總結與展望 298
參考文獻 300
關鍵詞索引 303
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