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| 編輯推薦： |
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《纳米材料前沿》是由材料及化学领域的学术带头人共同完成的大型出版项目，是国家出版基金资助项目。13名主要著作责任者中，含6名中国科学院院士，其余全部为长江学者，杰出青年。本书是其中一个分册，由孙世刚院士组织国内活跃于电催化研究一线的中青年科学家撰写，内容涵盖燃料电池电催化纳米材料、锂-空气电池电催化纳米材料、环境和光电转换电催化纳米材料、生物电催化纳米材料以及绿色合成电催化纳米材料等五个方面，代表了当下我国电催化领域的研究进展。
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| 內容簡介： |
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本书依据作者研究团队以及国内外电催化纳米材料的*研究进展，系统介绍了铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料、碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料、质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料、直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料、锂-空气电池碳基催化剂纳米材料、锂-空气电池正极催化剂纳米材料、环境电催化纳米材料、光电解水电催化纳米材料、生物燃料电池电催化纳米材料、微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用、有机分子合成电催化纳米材料、CO2还原电催化纳米材料、水电催化纳米材料。
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| 關於作者： |
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孙世刚，中科院院士，厦门大学化学系教授、固体表面物理化学国家重点实验室研究员，博士生导师，国际电化学会会士和英国皇家化学会会士。长期从事电催化、谱学电化学和能源电化学等方面的研究。主持完成1995年度国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目和国家973计划课题等重要科研项目。
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| 目錄：
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第1章铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料001
魏子栋（重庆大学化学化工学院）
1.1 概述 002
1.2 氧还原催化机理 003
1.3 铂基催化剂 008
1.3.1 晶面调控 010
1.3.2 构建双金属或多金属体系 012
1.3.3 表面修饰 021
1.3.4 载体增强 025
1.4 非铂基催化剂 031
1.4.1 Pd基催化剂 031
1.4.2 非贵金属催化剂 034
1.4.3 非金属催化剂 038
1.5 总结与展望 046
参考文献 046
第2章碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料065
杨晓冬，周志有，陈驰，王宇成，孙世刚
（厦门大学能源材料化学协同创新中心，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，厦门大学化学化工学院）
2.1 概述 066
2.2 碳基非贵金属氧还原催化剂的发展历程 067
2.3 碳基非贵金属催化剂的制备技术 068
2.3.1 高温热解法 068
2.3.2 高温热解催化剂的结构设计 072
2.3.3 非热解法 078
2.4 碳基非贵金属催化剂的活性位结构研究 080
2.4.1 碳缺陷活性位 080
2.4.2 氮掺杂碳活性位 081
2.4.3 FeNC活性位 083
2.5 碳基非贵金属催化剂在燃料电池中的应用 089
2.5.1 在质子交换膜燃料电池中的应用 090
2.5.2 在阴离子交换膜燃料电池中的应用 092
2.5.3 在甲醇燃料电池中的应用 093
2.5.4 碳基非贵金属催化剂的传质 094
2.6 总结与展望 095
参考文献 096
第3章质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料103
周小春，杨辉（中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，中国科学院上海高等研究院）
3.1 概述 104
3.2 基本原理和表征方法 105
3.2.1 氢的电氧化原理 105
3.2.2 阳极纳米催化剂的表征方法 106
3.3 阳极纳米催化剂的主要研究进展 110
3.3.1 自增湿催化剂 110
3.3.2 超低载量方法 115
3.3.3 非铂催化剂 120
3.4 总结与展望 124
参考文献 124
第4章直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料131
廖世军（华南理工大学化学与化工学院）
4.1 概述 132
4.2 直接醇类燃料电池阳极反应及其一般机理 133
4.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂纳米材料 135
4.3.1 PtRu二元合金纳米粒子催化剂 135
4.3.2 PtRu氧化物催化剂 138
4.3.3 PtRuX三元催化剂 139
4.4 直接乙醇燃料电池阳极催化剂纳米材料 141
4.4.1 单组分贵金属催化剂 141
4.4.2 双组分贵金属催化剂 142
4.4.3 三组分金属催化剂 145
4.4.4 非贵金属催化剂体系 146
4.5 其他醇类燃料电池阳极催化剂纳米材料 147
4.6 总结与展望 149
参考文献 150
第5章锂-空气电池碳基催化剂纳米材料157
张新波（中国科学院长春应用化学研究所）
5.1 概述 158
5.1.1 锂-空气电池发展背景 158
5.1.2 锂-空气电池的工作原理和分类 159
5.1.3 锂-空气电池的基本组成及关键材料 161
5.2 碳电催化纳米材料 162
5.2.1 分类及电化学性能 163
5.2.2 在锂-空气电池中的反应机理 169
5.3 碳载金属金属氧化物复合电催化纳米材料 170
5.3.1 制备方法 171
5.3.2 在锂-空气电池中的催化机理及电化学性能 177
5.3.3 选择、设计与开发 181
5.4 杂原子掺杂碳基电催化纳米材料 183
5.4.1 杂原子掺杂碳基电催化纳米材料的制备 183
5.4.2 催化机理及电化学性能 184
5.5 总结与展望 188
参考文献 188
第6章锂-空气电池正极催化剂纳米材料193
何平，周豪慎（南京大学现代工程与应用科学学院）
6.1 概述 194
6.1.1 研究背景和基本原理 194
6.1.2 有机体系 195
6.1.3 组合电解液 199
6.1.4 全固态电解质 202
6.1.5 小结 203
6.2 碳基纳米催化材料 205
6.2.1 多孔碳 205
6.2.2 碳纳米线管 207
6.2.3 石墨烯 209
6.2.4 三维结构碳基材料 211
6.2.5 碳基掺杂材料 213
6.3 贵金属 215
6.3.1 金、铂、钯 215
6.3.2 钌与氧化钌 217
6.3.3 贵金属基复合材料 219
6.4 纳米结构过渡金属氧化物 220
6.4.1 锰氧化物 221
6.4.2 钴氧化物 222
6.4.3 镍氧化物 224
6.4.4 复合氧化物 225
6.5 可溶性催化剂 226
6.5.1 多环类氧化还原电对 227
6.5.2 碘化物 228
6.5.3 水 229
6.6 总结与展望 230
参考文献 230
第7章环境污染物电催化处理纳米材料237
周明华（南开大学环境科学与工程学院）
7.1 概述 238
7.1.1 环境电化学的发展 238
7.1.2 环境电催化 239
7.1.3 环境电催化纳米材料 240
7.2 阳极氧化 241
7.2.1 概述 241
7.2.2 过程影响因素和特征参数 244
7.2.3 金属阳极及其环境应用 247
7.2.4 金属氧化物阳极及其环境应用 248
7.2.5 碳材料阳极及其环境应用 253
7.3 阴极电化学还原 256
7.3.1 概述 256
7.3.2 电芬顿 258
7.4 总结与展望 268
参考文献 269
第8章光电解水电催化纳米材料275
申燕，王鸣魁（武汉光电国家研究中心，华中科技大学光学与电子信息学院）
8.1 概述 276
8.1.1 光电解水的原理 278
8.1.2 光电化学池 279
8.1.3 光电解水效率 280
8.1.4 太阳能-化学能转换效率 281
8.2 半导体光电化学 282
8.2.1 半导体液体接触物理 282
8.2.2 光电解水体系界面能级优化 283
8.2.3 光照条件下半导体液体界面体动力学 284
8.3 光阴极析氢过程 285
8.3.1 光电解水析氢反应机理 286
8.3.2 光阴极材料 287
8.4 光阳极材料 291
8.4.1 过渡金属氧化物光阳极材料 291
8.4.2 染料敏化半导体光阳极材料 296
8.4.3 影响光阳极性能的因素 301
8.5 电催化剂对光电极的影响 302
8.5.1 析氢催化剂材料 303
8.5.2 析氧催化剂材料 303
8.5.3 催化剂微纳结构对光电极效率的影响 304
8.6 总结与展望 305
参考文献 306
第9章生物燃料电池电催化纳米材料317
朱俊杰（南京大学化学化工学院）
9.1 概述 318
9.1.1 酶生物燃料电池 319
9.1.2 微生物燃料电池 320
9.2 酶生物燃料电池电催化纳米材料 322
9.2.1 碳材料 322
9.2.2 金属纳米粒子 329
9.2.3 纳米结构导电聚合物 331
9.2.4 复合材料 332
9.3 微生物燃料电池电催化纳米材料 339
9.3.1 MFC阳极电催化纳米材料 339
9.3.2 MFC阴极电催化纳米材料 345
9.4 总结与展望 349
参考文献 351
第10章微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用361
赵峰，吴雪娥，姜艳霞（中国科学院城市环境研究所，厦门大学化学化工学院）
10.1 概述 362
10.2 胞外电子传递 363
10.2.1 直接胞外电子传递 363
10.2.2 间接胞外电子传递 365
10.3 微生物制备的纳米材料 366
10.3.1 纳米材料与电子 366
10.3.2 纳米材料与荧光 370
10.3.3 纳米材料与磁性 373
10.4 微生物电化学的分析方法 374
10.4.1 循环伏安和微分脉冲 375
10.4.2 计时电流 376
10.4.3 微生物电化学原位红外光谱 377
10.4.4 扫描探针显微技术 378
10.5 总结与展望 379
参考文献 380
第11章有机分子合成电催化纳米材料385
王欢，陆嘉星（华东师范大学化学与分子工程学院，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室）
11.1 概述 386
11.2 金属纳米材料 388
11.2.1 单金属纳米材料在电催化合成中的应用 388
11.2.2 双金属纳米材料在电催化合成中的应用 399
11.3 碳基纳米材料 406
11.3.1 硼掺杂金刚石电极在有机电合成中的应用 406
11.3.2 功能化碳电极在有机电合成中的应用 409
11.4 聚合物纳米材料 411
11.4.1 聚合物膜在电催化合成中的应用 411
11.4.2 负载金属（金属氧化物）聚合物膜在电催化合成中的应用 414
11.4.3 金属有机配合物膜在电催化合成中的应用 415
11.5 其他新型复合纳米材料 417
11.5.1 生物碱@Ag纳米材料在不对称电催化还原中的应用
417
11.5.2 [Co]@Ag纳米材料在不对称电催化羧化CX中的应用 420
11.5.3 负载Ag分子筛纳米材料在电催化还原中的应用
422
11.6 总结与展望 424
参考文献 425
第12章CO2还原电催化纳米材料433
贾法龙（华中师范大学化学学院）
12.1 概述 434
12.2 电催化还原CO2的原理 436
12.2.1 水溶液体系中CO2电催化还原 436
12.2.2 非水溶液体系中CO2电催化还原 439
12.2.3 CO2电催化还原的主要影响因素 440
12.3 电催化还原CO2研究方法 441
12.3.1 仪器装置和产物分析 441
12.3.2 反应机理研究 442
12.4 催化CO2电化学还原的纳米材料 444
12.4.1 铜族纳米材料 444
12.4.2 铂族纳米材料 459
12.4.3 其他过渡金属纳米材料 463
12.4.4 p区部分金属纳米材料 470
12.4.5 金属氧化物及碳材料 472
12.5 总结与展望 477
参考文献 478
第13章水电催化纳米材料483
胡吉明，伍廉奎（浙江大学化学系）
13.1 概述 484
13.2 析氢电催化纳米材料 484
13.2.1 析氢反应及其基本反应历程 485
13.2.2 贵金属析氢反应电催化纳米材料 491
13.2.3 其他析氢反应电催化纳米材料 494
13.3 析氧电催化纳米材料 503
13.3.1 析氧反应的基本特征 504
13.3.2 析氧反应电催化活性理论 505
13.3.3 析氧反应的电催化机制 511
13.3.4 钛基氧化物涂层电极 514
13.3.5 其他电催化析氧纳米材料 524
13.4 析氯电催化纳米材料 528
13.4.1 析氯反应及其基本特征 529
13.4.2 Ti基RuO2纳米涂层电极 534
13.4.3 其他析氯反应电催化纳米材料 539
参考文献 541
索引 558
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| 內容試閱：
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随着能源短缺和环境污染等问题日益突出，发展化石能源清洁、高效利用技术，开发太阳能、风能等可再生能源，以及实现新物质绿色合成等成为当前社会发展的重大需求和科学技术的前沿。电化学能源转换不受热机卡诺循环的限制，清洁高效；电化学物质转化以电子为氧化剂或还原剂、绿色环保；电化学能量储存一方面为移动电器和电动车提供电源，另一方面则为间歇性、可再生能源的大规模开发利用提供有力的支撑。电催化是电化学能源转换、能量储存和物质转化的核心科学和技术，在解决当今能源和环境问题中扮演着关键的角色。同时，电催化还在太阳能、生物质能等的综合利用，氢能源，纳米材料和功能材料制备，液体燃料合成和转化，电解、水处理和有机电化学等工业，以及生物传感等领域中发挥着重要的作用。
电催化的关键是电催化剂。在电催化体系中，可以在温和条件下（常温、常压）调变界面电场，控制化学反应朝着希望的方向进行。高性能的电催化剂通过改变反应途径降低反应的活化能，具有高催化活性、高选择性和耐久性。电催化涉及反应分子与电催化剂表面的相互作用，电荷转移，反应分子吸附、解离、转化等关键步骤都发生在电极表面。因此，电催化剂的性能主要取决于表面结构，即化学结构（组成）、几何结构（原子排列结构）、电子结构和纳米结构。近年来纳米科技迅速发展，促进了电催化纳米材料的研究和应用，原始创新和应用成果不断涌现。从纳米尺度和纳米结构设计高性能电催化剂，发展纳米材料形貌和结构控制合成方法，并应用于各种实际电催化体系，不仅丰富了电催化剂的内涵，而且拓展了电催化的基础理论和应用。
本书邀请活跃于电催化研究第一线的中青年科学家撰写，内容涵盖燃料电池电催化纳米材料、锂-空气电池电催化纳米材料、环境和光电转换电催化纳米材料、生物电催化纳米材料以及绿色合成电催化纳米材料五个方面。全书一共13章，分别由重庆大学魏子栋（第1章 铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料），厦门大学周志有等（第2章 碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料），中国科学院上海高等研究院杨辉等（第3章 质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料），华南理工大学廖世军（第4章 直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料），中国科学院长春应用化学研究所张新波（第5章 锂-空气电池碳基催化剂纳米材料），南京大学周豪慎等（第6章 锂-空气电池正极催化剂纳米材料），南开大学周明华（第7章 环境污染物电催化处理纳米材料），华中科技大学王鸣魁等（第8章 光电解水电催化纳米材料），南京大学朱俊杰（第9章 生物燃料电池电催化纳米材料），中国科学院城市环境研究所赵峰等（第10章 微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用），华东师范大学陆嘉星等（第11章 有机分子合成电催化纳米材料），华中师范大学贾法龙（第12章 CO2还原电催化纳米材料）和浙江大学胡吉明等（第13章 水电催化纳米材料）撰写。
本书的内容包含各章作者长期在电催化领域各个方面的科学研究中取得的重要成果，代表了我国近年来在电催化纳米材料科学和技术研究中的最新进展。在本书各章的撰写中，作者们既注重基础知识和研究方法的介绍，又紧紧围绕学科发展的前沿方向。因此，本书既适合电化学、电催化、催化化学、表面科学、材料科学等研究方向的研究生，也适合从事电催化及相关领域科学研究和技术开发的科技工作者参考，同时也可作为物理化学教学和相关工作人员的参考书。
本书得以顺利出版，离不开纳米材料前沿丛书编委会主任万立骏院士在选题、内容布局和全书风格诸方面给予的指导性建议及其严格把关，离不开全体作者的辛勤劳动，在此一并致以衷心的感谢。
孙世刚
中国科学院院士
厦门大学化学系教授
2017年5月于厦大芙蓉园
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