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新材料與碳中和 版權信息
- ISBN：9787030725295
- 條形碼：9787030725295 ; 978-7-03-072529-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
新材料與碳中和 本書特色
適讀人群 ：對新材料與“碳中和”感興趣的廣大讀者和廣大科研工作者本書內容新穎，圖文并茂，可讀性較強！
新材料與碳中和 內容簡介
材料是人類社會進步的基石，關鍵新材料的出現與應用是推動新技術革命的直接動力。當前化石能源短缺和環境污染等問題突出，嚴重威脅著人類社會的可持續發展。基于作者在新材料和新能源領域多年的研究與思考，本書旨在向讀者介紹新材料的重要性，并探討新材料在碳中和實踐中的重要支撐作用。本書回顧了材料的發展歷程，闡述了材料與人類社會發展的密切關系；論述了新材料的戰略地位以及世界各國的發展戰略；針對能源與環境危機，介紹了世界多國和地區的碳中和發展目標，并重點探討了現階段我國實現碳中和所面臨的挑戰及新材料在清潔能源發展中的關鍵作用；*后展望了實現碳中和的愿景。
新材料與碳中和 目錄
目錄
前言
第1章 材料與人類發展 1
1.1 人類與早期材料的發展 1
1.1.1 材料的定義 1
1.1.2 人類發展早期以材料命名的時代 1
1.1.3 硅酸鹽材料 2
1.2 關鍵材料與近代技術革命 3
1.2.1 工業革命 3
1.2.2 信息革命 5
1.2.3 材料與諾貝爾獎 6
1.3 現代材料科學 7
參考文獻 9
第2章 新材料 10
2.1 新材料的發展及戰略地位 10
2.1.1 新材料的發展背景 10
2.1.2 新材料的應用領域 11
2.2 新材料的種類 12
2.2.1 新型金屬材料 12
2.2.2 新型無機非金屬材料 14
2.2.3 先進高分子材料 17
2.2.4 新型碳材料 18
2.2.5 高性能復合材料 22
2.3 世界主要發達國家和地區的新材料發展戰略及特點 24
2.3.1 美國新材料發展戰略 24
2.3.2 歐洲材料發展戰略 25
2.3.3 日韓材料發展規劃 26
2.3.4 新材料發展的特點 27
2.4 我國新材料發展的現狀、問題與戰略 28
2.4.1 我國新材料的發展現狀 28
2.4.2 我國新材料發展面臨的問題 29
2.4.3 我國新材料的發展戰略 30
參考文獻 31
第3章 碳達峰與碳中和 33
3.1 碳達峰與碳中和背景 33
3.1.1 能源消耗與碳排放 33
3.1.2 能源與環境危機 34
3.2 世界碳中和發展策略 35
3.2.1 聯合國在行動 35
3.2.2 世界各國碳中和目標 36
3.3 我國的碳中和戰略與挑戰 39
3.3.1 我國的碳中和戰略 39
3.3.2 我國的能源結構與發展現狀 40
3.3.3 我國碳中和面臨的挑戰 42
3.4 碳中和與新能源 43
3.4.1 新能源的戰略意義 43
3.4.2 新能源概述 44
3.4.3 新能源發展概況 46
3.4.4 我國新能源發展現狀概述 48
參考文獻 49
第4章 新材料對碳中和的關鍵支撐作用 51
4.1 新材料與太陽能 51
4.1.1 新材料與光伏電池 52
4.1.2 新材料與光熱轉換 56
4.1.3 新材料與光催化 59
4.2 新材料與風能 60
4.3 新材料與水能和水伏 64
4.3.1 水力發電 64
4.3.2 水伏發電 66
4.4 新材料與核能 68
4.4.1 核裂變 68
4.4.2 核聚變 71
4.5 新材料與海洋能 73
4.5.1 潮汐能 73
4.5.2 波浪能 75
4.6 新材料與地熱能 77
4.7 新材料與生物質能 79
4.8 新材料與電化學儲能 80
4.8.1 電化學儲能發展歷史 80
4.8.2 鋰離子電池 81
4.8.3 其他新型電池 89
4.8.4 我國電池產業發展現狀 91
4.9 新材料與氫能 92
4.9.1 氫能制備 93
4.9.2 儲氫材料 97
4.9.3 氫能燃料電池 99
4.10 新材料與智慧能源 102
4.11 新材料與低碳建筑 103
參考文獻 105
第5章 碳中和愿景 111
5.1 科普宣傳 111
5.2 科技創新 113
5.3 政策保障 114
5.4 全民意識 115
參考文獻 117
展開全部
新材料與碳中和 節選
第1章 材料與人類發展 1.1 人類與早期材料的發展 1.1.1 材料的定義 材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。具體而言，材料是可以用來制造有用的構件、器件或物品等的物質。一種物品通常由不同的材料組成，而材料的不同組合又構成了豐富多彩的世界。材料與國民經濟、國防軍工以及人們生活的各個方面密切相關。 由于其重要的作用和地位，材料與信息、能源共同被稱為現代文明社會的三大支柱。此外，新材料技術與生物技術、信息技術并列為當今世界高新技術產業發展的重要標志。簡而言之，材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，是人類社會進步的基石。 1.1.2 人類發展早期以材料命名的時代 在人類歷史發展進程中，材料一直扮演著重要角色(圖1.1)。人類文明早期，由于受到自然條件和自身發展水平的限制，天然材料是人們從事生產活動的主要工具。人類首先利用石頭、木材等天然材料制成的工具，通過“擊石取火”“鉆木取火” 圖1.1 人類發展早期以材料命名的時代圖片來源：攝圖網 等方式掌握了火的使用，從此結束了“茹毛飲血”的時代。同時，人類通過采集、加工天然石料制造石制工具，使得狩獵、采集、種植等生產活動的效率大幅提高， “石器時代”為人類的繁衍和發展奠定了堅實基礎。隨著生活經驗的積累和自身發展的需要，人類開始逐步掌握采礦冶煉技術，能夠從自然界中提取、分離金屬材料，進而通過冶煉、鑄造、加工等工藝制作各種青銅器件，促使人類社會進入“青銅時代”。青銅器的出現對提高農業、手工業等社會生產力具有重要的推動作用，同時極大地豐富了人類的物質生活。在此基礎上，人類進一步掌握了冶煉鐵的技術，開啟了“鐵器時代”。鐵器的使用和推廣在人類發展史上具有劃時代的意義，將農耕文明推向了一個新的發展高度，并間接催生出近代工業文明。 由此可見，人類早期的發展歷程中，每一次關鍵材料的出現和應用都極大地推動著生產效率和生活水平的提升，并促進人類社會向前發展。正因為材料的關鍵作用，歷史學家常以使用材料的名稱來劃分人類文明的階段，如“石器時代” “青銅時代”“鐵器時代”。隨著生產力水平的提高，人們能夠生產和使用的材料越來越多，材料在人類社會發展歷程中所扮演的角色越來越重要。 1.1.3 硅酸鹽材料 特別值得指出的是，硅酸鹽材料也是一類歷史悠久且應用廣泛的重要材料。硅酸鹽在自然界中分布廣泛，包括黏土、高嶺土等不同存在形式，通過將其與其他物質進行混合、加工，能夠制備出具有不同結構和功能的材料，例如陶器、瓷器、磚瓦、玻璃、水泥等。歷史上，人類對于硅酸鹽材料的利用也一定程度上促使東西方文明開始發生分化。 眾所周知，我國生產的“瓷器”在相當長一段時間內名揚海外，與茶葉和絲綢并列作為我國對西方的主要出口產品。在“瓷器”的燒制工藝過程中，高嶺土是必不可少的原材料，其主要成分為 Al2O3.2SiO2.2H2O，廣泛分布于亞洲和美洲[1]。此外，除了高嶺土的使用，高溫對于瓷器的成功燒制也至關重要。瓷器的燒制溫度高于陶器，也高于鐵器和銅器的冶煉溫度，因而對燒制工藝提出了較高的要求。由于較早掌握了高溫冶煉技術，以及高嶺土的發現和使用，我國成為成功燒制出瓷器*早的國家。隨著我國瓷器燒制工藝日趨成熟并實現了規模化生產，各類瓷器逐漸進入千家萬戶，成為人們日常生活的必需品和重要的裝飾用品(圖1.2)。同時，我國生產的瓷器還遠銷國外，一度成為我國外貿的重要收入來源。 圖1.2 明代永樂年間青花瓷器圖片來源：新視界 由于缺乏高嶺土原材料以及高溫窯爐技術發展不成熟，西方國家長時間內未能燒制出瓷器。但西方基于經驗積累和長期摸索，*早掌握了玻璃和水泥的制造工藝。玻璃由石英、石灰、純堿及少量輔料燒制而成，主要包括硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅等成分[2]。“中世紀時期”(公元5世紀后期到公元15世紀中期)的西方，科技和生產力發展幾乎停滯，社會發展進程緩慢。然而，在此期間，西方的玻璃制造工藝迎來了大發展，玻璃制造技術取得了重大進步和突破。此外，在燒制過程中，通過引入不同的金屬氧化物，還能制備出具有不同顏色的玻璃制品，廣泛用于建筑和藝術品中。“文藝復興”后，西方的現代科學蓬勃發展。玻璃由于優異的物理化學特性，能夠制成具有不同用途的光學元件、反應容器等，成為推動天文學、光學、化學等學科發展不可缺少的關鍵材料。 水泥是西方國家成功利用硅酸鹽材料取得的另一重大成就。硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料，經研磨、配料、混合等工藝后，在水泥窯中進行煅燒，再加入適量石膏研細制備而成。在水泥出現以前，建筑材料主要采用木材和石材，建筑的結構穩定性和使用壽命都受到了極大的限制。水泥的發明和使用，在顯著提高人類社會建筑水平的同時，極大地改善了人類的居住環境、工作環境和出行環境。此后，基于水泥、砂石以及鋼筋網等膠結而成的混凝土/鋼筋混凝土成為現代建筑、基礎設施等的主要材料(圖1.3)。 圖1.3 典型的鋼筋混凝土建筑圖片來源：攝圖網 1.2 關鍵材料與近代技術革命 1.2.1 工業革命 早期材料的發展主要基于人們漫長的生活經驗積累，材料的開發和應用周期較長，種類也比較單一，造成生產工具更新換代周期長、生產力水平落后以及社會發展進步速度緩慢。“文藝復興”帶來了科學技術的蓬勃發展，各類基礎學科包括數學、物理、化學等的興起與發展，為材料的設計開發和加工制造提供了理論指導，人們開發和應用材料的周期大幅縮短。同時，材料的開發與應用，也極大地提高了生產效率。 以**次工業革命為例，通過以熱力學、力學等作為理論指導，采用機械加工及制造技術，制成了以“蒸汽機”為代表的機械設備；機械的廣泛應用促使人類生產生活從以勞動力驅動轉變為機器驅動，人類社會自此進入“機械化時代”。機械化加工和生產極大地促進了人類的分工協作與勞動效率的提升，人類財富急劇增加，生活水平大幅提高。其中，“鋼鐵材料”作為**次工業革命的關鍵材料，廣泛用于蒸汽機的各個部件，包括氣缸、齒輪、傳動等(圖1.4)，鋼鐵材料的質量和性能很大程度上決定了蒸汽機的工作效率和使用壽命。此外，鋼鐵材料也廣泛應用于鐵路運輸、建筑、汽車、石油化工等領域。 圖1.4 蒸汽機示意圖圖片來源：攝圖網 第二次工業革命的標志是電器和內燃機的發明和使用。從發電機問世到電燈、電報、電話、電影的發明，從內燃機誕生到由內燃機驅動的汽車、輪船、飛機的應用，人類社會從機械化進一步邁向電氣化(圖1.5)。在第二次工業革命中，除了 圖1.5 第二次工業革命的代表性成果圖片來源：攝圖網 鋼鐵材料，具有優異電學、磁學、光學等性能的新型材料層出不窮，應用也越來越廣泛，包括具有優異電學性能的導體材料、發電機使用的磁性材料等，在第二次工業革命中發揮著重要作用。 1.2.2 信息革命 20世紀中后期，以電子技術、計算機、半導體、自動化、信息網絡等為代表的“信息革命”推動人類社會逐步進入“信息時代”。信息時代的一個特點是，人們可以通過機器實現對信息的收集、存儲和處理等過程，能夠部分取代人的腦力勞動。信息革命提供的全新生產手段，促進了生產力的大發展以及產業和經濟結構的巨大變化。在信息革命中，以硅為代表的半導體材料發揮著決定性作用。硅具有原料成本較低、化學性質穩定、載流子遷移率高[1350 cm2/(V ？ s)]、禁帶寬度適中(1.1 eV)等優點，并且能夠通過不同摻雜形式對其能帶結構進行有效調控[3]。因此，硅作為晶體管材料，廣泛應用于各類電子器件。如今，基于高純硅材料的集成電路和超大規模集成電路是計算機芯片、中央處理器(CPU)的主要部件，奠定了“信息時代”的基礎(圖1.6)。 圖1.6 基于硅半導體材料的集成電路圖片來源：攝圖網 另一方面，隨著集成電路集成度的快速增加，電子器件逐漸向小型化方向發展和轉變。被稱為計算機**定律的“摩爾定律”指出：集成電路上可以容納的晶體管數目大約每18個月增加一倍。電子信息產業的快速發展在一段時間內驗證了“摩爾定律”的有效性。然而，由于尺寸效應，集成電路晶體管數目的進一步增加必然會造成器件的發熱和漏電問題，*終將會導致“摩爾定律”失效。因此，除了進一步對硅基半導體集成電路工藝進行優化，亟待開發高效能、低功耗的新型材料。近年來，材料領域的快速發展促進了各類新材料的不斷涌現，包括新型碳材料(如碳納米管、石墨烯)、二維材料(如過渡金屬硫屬化物)、拓撲材料、量子材料、超導材料等，有望在不久的將來實現大規模應用，推動信息革命的深入發展。 總而言之，材料與人類社會發展的關系越來越密切。材料為人們的生產生活提供了不可或缺的物質基礎，材料的發展在推動人類社會不斷進步的同時，也加深了人們對未知世界的認識和了解。 1.2.3 材料與諾貝爾獎 材料在人類社會發展歷程中扮演著重要角色，材料的發展水平成為現代科學技術進步的關鍵指標。作為世界科學技術的*高榮譽，1920～2021年間被授予諾貝爾獎的材料相關成果共計22項，包括合金、塑料、高分子材料、晶體管、光纖、催化劑材料、超導材料、液晶材料、富勒烯、石墨烯、準晶、藍色發光二極管(LED)材料、鋰離子電池等，充分肯定了材料的關鍵作用和重要地位(圖1.7)。歷史證明，上述材料的開發與利用是推動人類社會與科技進步的重要驅動力。 例如，1956年諾貝爾物理學獎被共同授予威廉.肖克利(William B. Shockley，1910—1989年)、沃爾特.布喇頓(Walter Brattain，1902—1987年)和約翰.巴丁(John Bardeen，1908—1991年)三位美國科學家，以表彰他們“對半導體材料的研究和發現晶體管效應”。晶體管的發明促使信息電子學的發展產生了根本性變革。相比于傳統真空電子管，晶體管具有體積小、能效高、使用壽命長等優點，成為推動 “信息革命”的重要基礎，目前廣泛應用于計算機、電子通信、航空航天、軍工國防等領域，對人類社會發展產生了深遠影響。1987年諾貝爾物理學獎被共同授予德國科學家格奧爾格.貝德諾爾茨(J. Georg Bednorz，1950年—)和瑞士科學家亞歷山大.米勒(K. Alexander Müller，1927年—)，以表彰他們“在發現陶瓷材料中的超導電性所做出的重大突破”。超導現象的發現顛覆了人們對傳統陶瓷的認識，并逐漸成為世界各國研究的焦點。目前，超導材料在新興電子學、磁懸浮運輸、精密儀器等方面具有不可替代的作用。近年來，與材料相關的諾貝爾獎主要包括藍色發光二極管和鋰離子電池。2014年諾貝爾物理學獎被分別授予日本科學家赤崎勇(Isamu Akasaki，1929—2021年)和天野浩(Hiroshi Amano，1960年—)以及美籍日裔科學家中村修二(Shuji Nakamura，1954年—)，以表彰他們在藍色發光二極管領域的突出貢獻。藍色發光二極管是一種新型高效、環境友好的光源，在節能方面具有突出優勢。2019年，美國科學家約翰.古迪納夫(John B. Goodenough，1922年—)、英國科學家斯坦利.惠廷厄姆(Stanley Whittingham，1941年—)以及日本科學家吉野彰(Akira Yoshino，1948年—)因在鋰離子電池關鍵電極材料研發
新材料與碳中和 作者簡介
成會明，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，現任中國科學院深圳理工大學（籌）材料科學與能源工程學院名譽院長、中國科學院深圳優選技術研究院碳中和技術研究所（籌）所長、中國科學院金屬所沈陽材料科學國家研究中心優選炭材料研究部主任。兼任Energy Storage Materials創刊主編、Science China Materials副主編。 主要從事新型儲能材料與器件、光催化材料、低維材料、碳中和相關材料與技術的研究與開發。在學術刊物上已發表SCI論文850余篇（H因子144，2021年），是化學和材料兩個領域的靠前高被引科學家。獲授權中國發明200余項，其中高性能石墨負極材料、石墨烯材料、二維氮化硼材料等創新技術已孵化出多家高科技企業。撰寫出版專著《納米碳管》一部、作為總主編為科學出版社組織出版“低維材料與器件叢書”一套。以完成.人榮獲國家自然科學獎二等獎、何梁何利科技進步獎、國防科技進步獎二等獎、美國碳學會Pettinos獎、德國Felcht獎、美國ACS Nano講座獎等諸多獎項。
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