第一章緒論
導(dǎo)言 001
1.1能源科學(xué) 001
1.2能源化學(xué) 003
1.3碳基能源 003
1.4氫能化學(xué) 005
1.4.1氫能化學(xué)定義 005
1.4.2氫能源分類 007
1.4.3“氫能中國(guó)”計(jì)劃 008
1.5世界氫能開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)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(chǔ)運(yùn) 016
1.7.3氫能源產(chǎn)業(yè)下游——應(yīng)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(kāi)發(fā)的堵點(diǎn) 022
1.10氫能源前景 022
1.11結(jié)語(yǔ) 023
思考題 024
參考文獻(xiàn) 024

第二章氫的基礎(chǔ)化學(xué)
導(dǎo)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(xué)和熱力學(xué)性質(zhì) 029
2.3.1氫氣的物理化學(xué)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(xué)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(dǎo)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(yīng)用 035
2.4氫氣的液化原理及過(guò)程 037
2.4.1液氫的汽化熱 037
2.4.2氫的焦耳-湯姆孫效應(yīng) 037
2.4.3氫氣液化工藝過(guò)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(yīng)及核能 045
2.7.1核反應(yīng)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(yīng) 046
2.7.4可利用的聚變反應(yīng) 046
2.8氫的主要化學(xué)反應(yīng) 048
2.8.1氫與非金屬單質(zhì)的反應(yīng) 048
2.8.2氫與金屬的反應(yīng) 049
2.8.3氫與金屬氧化物的還原反應(yīng) 050
2.8.4合成氣反應(yīng) 056
2.8.5氫甲�；�反應(yīng) 057
2.8.6其他反應(yīng) 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(xué)及其檢測(cè)原理 067
2.11氫的特殊性及科學(xué)地位 067
思考題 068
參考文獻(xiàn) 069

第三章氫的結(jié)構(gòu)化學(xué)
導(dǎo)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(xué)鍵 080
3.7.1共價(jià)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(jià)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(zhǎng)、鍵能 090
3.8.4氫鍵的強(qiáng)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(xué)作用機(jī)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(duì)不同材料的破壞 101
3.10氫爆碎現(xiàn)象及微觀化學(xué)機(jī)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?gòu)?fù)合作用 104
3.11氫氣的溢流現(xiàn)象及化學(xué)原理 106
思考題 108
參考文獻(xiàn) 108

第四章傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)“灰氫”
導(dǎo)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(yīng)原理及熱力學(xué) 136
4.3.2水煤氣變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)機(jī)理 138
4.3.3水煤氣變換反應(yīng)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(xiàn) 161

第五章水分解制備“綠氫”
導(dǎo)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(yīng)活性評(píng)價(jià) 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(yīng)體系 178
5.2電催化水分解制氫 180
5.2.1電解水制氫基礎(chǔ) 181
5.2.2電解水原理 181
5.2.3電解水活性評(píng)價(jià)指標(biāo) 183
5.2.4析氫反應(yīng)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(xué)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(xué)偶聯(lián)水分解制綠氫 196
5.3.2核能發(fā)電簡(jiǎn)介 196
5.3.3核電余熱-化學(xué)偶聯(lián)制氫方法 198
5.3.4制氫設(shè)備材料的耐腐蝕問(wèn)題 203
5.4化學(xué)鏈水分解制氫 203
5.4.1化學(xué)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(xué)鏈水分解反應(yīng)體系 205
5.5天然氫的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)作用水分解機(jī)理 207
思考題 209
參考文獻(xiàn) 210

第六章碳?xì)浠�合物分解制“綠氫”
導(dǎo)言 214
6.1生物質(zhì)簡(jiǎn)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(guò)程 219
6.2.2氣化制氫工藝 224
6.2.3反應(yīng)溫度的影響 225
6.2.4燃空當(dāng)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(guò)程分析 229
6.2.7熱解制氫工藝及反應(yīng)器 230
6.2.8氣化制氫吸附增強(qiáng)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(jiǎn)介 234
6.3.2生物質(zhì)發(fā)酵制氫主要過(guò)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(yīng)過(guò)程及機(jī)理 239
6.3.6生物質(zhì)發(fā)酵制氫反應(yīng)器 241
6.3.7生物質(zhì)發(fā)酵制氫優(yōu)缺點(diǎn) 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(xué)鏈烴化物分解制氫 258
6.6.1化學(xué)鏈分解制氫基本原理 258
6.6.2熱力學(xué)分析 259
6.6.3氧載體材料 260
6.6.4化學(xué)鏈分解制氫工藝 261
6.6.5化學(xué)鏈制氫案例 263
6.6.6化學(xué)鏈制氫反應(yīng)器 266
6.6.7展望 268
思考題 268
參考文獻(xiàn) 269

第七章氫氣分離及提純
導(dǎo)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 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(diǎn) 283
7.3.6變壓吸附氫氣提純的應(yīng)用實(shí)例 283
7.4膜分離法 286
7.4.1溶解-擴(kuò)散機(jī)理 287
7.4.2微孔擴(kuò)散機(jī)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(biāo)準(zhǔn) 308
7.7.4氣相色譜法分析烴類雜質(zhì)特點(diǎn) 309
思考題 311
參考文獻(xiàn) 312

第八章儲(chǔ)氫原理及供氫技術(shù)
導(dǎo)言 314
8.1氫氣儲(chǔ)運(yùn)的重要性 314
8.2儲(chǔ)氫原理、材料、性能要求 315
8.2.1高壓氣體儲(chǔ)氫原理 317
8.2.2低溫液氫儲(chǔ)存 320
8.2.3物理吸附儲(chǔ)氫 325
8.2.4化學(xué)吸附儲(chǔ)氫 326
8.3固體儲(chǔ)氫材料及性能 332
8.4沸石分子篩儲(chǔ)氫 333
8.5碳基吸附儲(chǔ)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(jī)框架材料儲(chǔ)氫 337
8.7氫化物儲(chǔ)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(chǔ)氫 345
8.7.3配位氫化物儲(chǔ)氫 353
8.7.4展望 357
8.8有機(jī)液體儲(chǔ)氫 358
8.8.1傳統(tǒng)有機(jī)液體儲(chǔ)氫 359
8.8.2新型有機(jī)液體儲(chǔ)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(xiàn) 368

第九章氫電轉(zhuǎn)化：燃料電池
導(dǎo)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(jiǎn)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(yīng)熱力學(xué) 373
9.3.1電池電動(dòng)勢(shì) 373
9.3.2燃料電池的效率 375
9.4燃料電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 376
9.4.1法拉第定律 377
9.4.2電化學(xué)反應(yīng)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(diǎn) 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(chǎng) 394
9.7.7應(yīng)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(chǎng) 402
9.8.8應(yīng)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(diǎn) 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(lái) 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(yīng)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(yīng)用 422
思考題 422
參考文獻(xiàn) 423

第十章氫熱轉(zhuǎn)化：氫氧燃燒
導(dǎo)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(jī)理及反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 432
10.2.1氫氧燃燒反應(yīng)機(jī)理 432
10.2.2燃燒反應(yīng)速率 434
10.2.3污染物NOx生成機(jī)理 435
10.2.4氫氧燃燒方式 437
10.3氫內(nèi)燃機(jī) 439
10.3.1氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 439
10.3.2氫內(nèi)燃機(jī)燃?xì)涮匦? 439
10.3.3氫內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 441
10.3.4氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù) 444
10.3.5氫內(nèi)燃機(jī)的問(wèn)題與解決措施 448
10.3.6氫內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用 449
10.4氫燃?xì)廨啓C(jī) 450
10.4.1燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介 450
10.4.2燃?xì)廨啓C(jī)原理 451
10.4.3燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu) 451
10.4.4燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)單循環(huán) 453
10.4.5氫燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)技術(shù) 458
10.4.6甲烷摻氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù) 458
10.4.7燃燒室及其結(jié)構(gòu)改進(jìn) 459
10.4.8氫燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)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(jì)算 465
10.5.4火箭發(fā)射推進(jìn)原理 467
10.5.5液體燃料和氧化劑推進(jìn)劑 468
10.5.6液氫低溫儲(chǔ)存技術(shù) 471
10.5.7氫燃料火箭優(yōu)點(diǎn)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(xiàn) 477

第十一章氫烴轉(zhuǎn)化：加氫反應(yīng)
導(dǎo)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(guò)程簡(jiǎn)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(jiǎn)介 490
11.2.2硫化物反應(yīng)活性特點(diǎn) 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(yīng)動(dòng)力學(xué) 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(jiǎn)介 504
11.3.2渣油加氫提質(zhì)的化學(xué)反應(yīng) 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(xué)組分 513
11.4.3煤炭直接液化簡(jiǎn)史與工藝 513
11.4.4煤炭直接液化反應(yīng)機(jī)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(fèi)-托合成 519
11.5.1費(fèi)-托合成簡(jiǎn)介 519
11.5.2費(fèi)-托合成動(dòng)力學(xué)及ASF規(guī)則 520
11.5.3費(fèi)-托合成催化劑 521
11.5.4費(fèi)-托催化反應(yīng)機(jī)理 522
11.5.5費(fèi)-托合成工藝及技術(shù) 523
11.5.6費(fèi)-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(yīng)簡(jiǎn)介 525
11.6.2甲烷化反應(yīng)特點(diǎn)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(guó)外甲烷化技術(shù)路線 529
11.6.7國(guó)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(xiàn) 537