第 1 章 电化学碳循环：减碳导向的含碳小分子电化学转化 .............. 1
1.1 电化学碳循环反应概述 ............. 1
1.1.1 科学意义 ......................... 1
1.1.2 基本反应原理 ................. 2
1.1.3 性能评估指标 ................. 8
1.2 CO2 还原反应：产物路径与调控 ...... 14
1.2.1 CO2 至CO 的定向转化 17
1.2.2 CO2 至羧酸类产物的定向转化 ........................... 20
1.2.3 CO2 至烃类产物的定向转化 .. 23
1.2.4 CO2 至醇类产物的定向转化 .. 27
1.2.5 CO2 至醛类产物的定向转化 .. 29
1.3 含碳小分子的电氧化 ............... 31
1.3.1 CO 的电氧化 ................. 32
1.3.2 低碳烃类分子的定向电氧化 . 33
1.3.3 醇类分子的电氧化 ....... 37
1.3.4 醛类分子的电氧化 ....... 39
1.4 电解槽设计 .. 43
1.4.1 H 形电解槽 .................... 43
1.4.2 流动电解槽 ................... 45
1.4.3 MEA 电解槽 ................. 48
1.4.4 横向对比与技术演进 ... 50
1.5 挑战与展望 .. 51
1.5.1 核心挑战 ....................... 52
1.5.2 发展方向 ....................... 54
参考文献 ............... 57
第 2 章 电化学氢循环：零碳导向的氢析出与氢氧化 .......................... 64
2.1 电化学氢循环概述 ................... 64
2.1.1 绿氢的战略地位与电化学氢循环的概念 .......... 64
2.1.2 基本反应原理 ............... 65
2.1.3 性能评估指标 ............... 67
2.2 电化学氢循环与催化剂 ........... 69
2.2.1 析氢反应 ....................... 69
2.2.2 析氧反应 ....................... 75
2.2.3 氢氧化反应 ................... 80
2.2.4 氧还原反应 ................... 84
2.3 电解槽/燃料电池设计 .............. 90
2.3.1 碱性电解槽/燃料电池 .. 90
2.3.2 质子交换膜水电解槽/燃料电池 ......................... 91
2.3.3 阴离子交换膜水电解槽/燃料电池 ..................... 91
2.4 挑战与展望 .. 92
参考文献 ............... 93
第3 章 电化学碳-氮-氢循环：生命过程中的能源小分子转化 ... 100
3.1 电化学碳-氮-氢循环反应概述 ..... 100
3.1.1 科学意义 ..................... 101
3.1.2 基本反应原理 ............. 101
3.1.3 性能评估指标 ............. 102
3.2 电催化尿素合成 ..................... 104
3.2.1 用CO2 与N2 合成尿素 ......... 104
3.2.2 用CO2 与3 NO / 2 NO 合成尿素 ......................... 106
3.2.3 用CO 与NH3 合成尿素 ....... 110
3.3 电催化氨基酸合成 ................. 112
3.3.1 以N2 或氮氧化物气体为氮源合成氨基酸 ....... 115
3.3.2 以NO3 、NO2 、硝酸等为氮源合成氨基酸 ... 117
3.4 挑战与应用前景 ..................... 118
3.4.1 技术瓶颈分析 ............. 118
3.4.2 在地球范围内的应用 . 119
3.4.3 在太空探索中的应用 . 120
参考文献 .............. 121
第4 章 先进催化剂 ....................... 124
4.1 先进催化剂设计概述 ............. 124
4.2 高熵合金 .... 126
4.2.1 高熵效应的基本概念与独特优势 .................... 128
4.2.2 多元素协同与界面效应 ....... 130
4.2.3 高熵合金在电催化反应中的应用 .................... 131
4.3 单原子催化剂 ......................... 142
4.3.1 单原子催化剂的基本概念与最大原子利用率 143
4.3.2 金属-载体相互作用及其对活性的调控 .......... 144
4.3.3 单原子催化剂在电催化反应中的应用 ............ 145
4.4 挑战与发展方向 ..................... 155
4.4.1 规模化制备与稳定性提升 ... 156
4.4.2 原位表征与理论模拟的深度融合 .................... 160
参考文献 ............. 162
第5 章 总结与展望 ....................... 166
5.1 总结 ............ 166
5.2 发展方向 .... 166
5.3 国家战略与愿景 ..................... 169
附录 主要术语表 ........................... 170
