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| 編輯推薦： |
本书的编写旨在为读者提供关于二氧化碳转化的技术和实践的全面知识。
本书内容全面、系统，且结合实际，可以大大拓展读者对二氧化碳转化领域的认知和理解，对于推动科技进步和环境保护都具有积极的作用。
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| 內容簡介： |
二氧化碳的化学转化，为重要能源产品、化学品和材料的制备提供了新的绿色路线。然而，由于其热力学稳定性和动力学惰性，二氧化碳化学转化仍然存在诸多挑战，其资源化利用将是一项长期的重要工作。本书结合编者的实践经验和学术研究编写，主要内容包括二氧化碳形成含氧官能团原理、二氧化碳与甲烷重整反应、二氧化碳合成烃类化合物、二氧化碳酯化反应、二氧化碳羧基化反应、二氧化碳合成含氮化合物、典型二氧化碳热催化转化技术、二氧化碳光催化转化、二氧化碳电催化转化、二氧化碳光电催化转化、二氧化碳高温电解技术、微生物代谢基本原理、微生物固碳基本原理、二氧化碳生物甲烷化技术及微藻固碳技术。本书设置了较多应用案例，以帮助读者更好地理解和应用这些技术。來源：香港大書城megBookStore,http://www.megbook.com.hk
本书可作为普通高等院校碳储科学与工程、化学工程、环境工程等专业本科生与研究生的教材，也可作为化学工程师、环境工程师、材料工程师等专业人士的参考书。
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| 關於作者： |
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主要从事煤炭转化过程中涉及的化学反应、分离和传递规律研究。开发了多种煤基材料和化学品，探索了复杂分子改性和分子定向合成设计新方法。解决了煤基材料碳键重构关键问题，创新了重质沥青质制备高品质中间相理论。主讲本科生课程《大学化学》、《无机分析化学》、《煤化学》、《煤化工工艺学》；研究生课程《能源化工》、《二氧化碳转化技术》等。获得中国矿业大学（北京）校级优秀教学质量奖一、二等奖；校级优秀课程；主持完成校级教改项目3项；发表教学论文3篇。获得中国煤炭工业协会科技进步二等奖、中国安全生产协会安全科技进步二等奖、中国煤炭工业协会、科技进步二等奖。
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| 目錄：
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丛书序一
丛书序二
前言
绪论/
0.1二氧化碳理化性质/
0.2二氧化碳碳键活化特性/
第1篇二氧化碳的热催化转化
第1章二氧化碳形成含氧官能团原理/
1.1二氧化碳加氢反应概述/
1.2二氧化碳形成醇羟基/
1.2.1羟基生成原理/
1.2.2加氢反应路径/
1.2.3羟基化催化剂/
1.3二氧化碳形成醚/
1.3.1二氧化碳生成醚过程机理/
1.3.2醚化反应路径/
1.3.3醚化催化剂/
1.4二氧化碳形成醛基/
1.4.1醛基生成原理/
1.4.2醛键生成反应路径/
1.4.3二氧化碳制备醛的催化剂/
1.5二氧化碳形成羧基官能团/
1.5.1羧基化原理/
1.5.2羧基生成反应路径/
1.5.3羧基化催化剂/
课后习题及思考题/
第2章二氧化碳与甲烷重整反应/
2.1二氧化碳与甲烷催化重整概述/
2.2甲烷催化重整制备合成气的主要途径/
2.3二氧化碳与甲烷干重整制备合成气/
2.3.1二氧化碳与甲烷干重整机理/
2.3.2二氧化碳与甲烷干重整路径及热力学/
2.3.3二氧化碳与甲烷干重整催化剂/
2.4二氧化碳-甲烷-水联合重整制备合成气/
2.4.1二氧化碳-甲烷-水联合重整机理/
2.4.2二氧化碳-甲烷-水联合重整路径及热力学/
2.4.3二氧化碳-甲烷-水联合重整催化剂/
课后习题及思考题/
第3章二氧化碳合成烃类化合物/
3.1二氧化碳合成碳氢化合物概述/
3.2二氧化碳合成低碳烷烃/
3.2.1二氧化碳合成烷烃机理/
3.2.2催化反应路径/
3.2.3催化剂/
3.3二氧化碳合成低碳烯烃/
3.3.1二氧化碳合成低碳烯烃机理/
3.3.2催化反应路径/
3.3.3催化剂/
3.4二氧化碳合成长链烯烃/
3.4.1二氧化碳合成高碳烯烃机理/
3.4.2催化反应路径/
3.4.3催化剂/
3.5二氧化碳合成芳烃/
3.5.1芳构化机理/
3.5.2催化反应路径/
3.5.3催化剂/
课后习题及思考题/
第4章二氧化碳酯化反应/
4.1二氧化碳酯化路径/
4.2环氧化物与二氧化碳环加成反应/
4.2.1环氧化物与二氧化碳的环加成反应机理/
4.2.2环氧化物与二氧化碳的环加成催化剂/
4.3环氧化物与二氧化碳共聚反应/
4.3.1环氧化物与二氧化碳共聚反应机理/
4.3.2环氧化物与二氧化碳共聚反应催化剂/
4.4二氧化碳合成典型酯类化合物/
4.4.1碳酸乙烯酯的合成/
4.4.2碳酸二甲酯的合成/
4.4.3聚碳酸亚丙酯的合成/
课后习题及思考题/
第5章二氧化碳羧基化反应/
5.1二氧化碳羧基化反应概述/
5.2二氧化碳与烯烃反应/
5.2.1二氧化碳与烯烃反应的原理/
5.2.2二氧化碳与烯烃反应的催化剂及反应路径/
5.3二氧化碳与炔烃反应/
5.3.1二氧化碳与炔烃反应的原理/
5.3.2二氧化碳与炔烃反应的催化剂及反应路径/
5.4二氧化碳与醛/缩酮/醇反应/
5.4.1二氧化碳与醛反应/
5.4.2二氧化碳与缩酮反应/
5.4.3二氧化碳与醇反应/
课后习题及思考题/
第6章二氧化碳合成含氮化合物/
6.1二氧化碳与含氮化合物转化概述/
6.2二氧化碳参与胺化反应/
6.2.1尿素/
6.2.2甲酰胺/
6.3二氧化碳参与合成含氮杂环化合物/
6.3.1噁唑啉酮/
6.3.2脲/
课后习题及思考题/
第7章典型二氧化碳热催化转化技术/
7.1二氧化碳合成碳酸二甲酯/
7.2二氧化碳合成尿素/
7.3全流程碳平衡核算/
课后习题及思考题/
第2篇二氧化碳光电转化
第8章二氧化碳光催化转化/
8.1光催化概述/
8.1.1光催化基本理论/
8.1.2二氧化碳光催化转化原理/
8.1.3二氧化碳光催化转化反应器/
8.1.4二氧化碳光催化转化性能评价指标/
8.2典型光催化剂/
8.2.1均相光催化剂/
8.2.2异相光催化剂/
8.3合成能源化学品/
8.3.1二氧化碳光催化还原生成C1产物/
8.3.2二氧化碳光催化还原生成C2产物/
8.4合成有机化学品/
8.4.1二氧化碳作为C1原料的反应/
8.4.2光还原二氧化碳与光氧化有机合成耦合/
课后习题及思考题/
第9章二氧化碳电催化转化/
9.1电催化概述/
9.1.1电催化基本理论/
9.1.2二氧化碳电催化转化原理/
9.1.3二氧化碳电催化转化反应器/
9.1.4二氧化碳电催化转化性能评价指标/
9.2电解液/
9.2.1水相电解液/
9.2.2非水相电解液/
9.3典型电催化剂/
9.3.1金属基电催化剂/
9.3.2碳基电催化剂/
9.3.3金属-碳复合电催化剂/
9.3.4分子催化剂/
9.3.5单原子催化剂/
9.3.6其他电催化剂/
9.4合成能源化学品/
9.4.1二氧化碳电催化还原生成C1产物/
9.4.2二氧化碳电催化还原生成C2+产物/
9.5合成有机化学品/
9.5.1二氧化碳电催化合成有机碳酸酯/
9.5.2二氧化碳电催化合成有机羧酸或羧酸酯/
课后习题及思考题/
第10章二氧化碳光电催化转化/
10.1光电催化概述/
10.1.1光电催化基本理论/
10.1.2二氧化碳光电催化转化原理/
10.1.3肖特基势垒和欧姆接触/
10.2光电催化反应器/
10.2.1光电催化反应器配置/
10.2.2光电极配置/
10.2.3光电极材料/
10.3二氧化碳光电催化转化性能评价指标/
10.3.1太阳能到燃料的能量转换效率/
10.3.2量子效率/
10.3.3产物生成速率和催化电流密度/
10.3.4周转数和周转率/
10.3.5法拉第效率/
10.4促进光电催化二氧化碳还原的常用方法/
10.4.1增强光吸收/
10.4.2促进载流子分离/
10.4.3促进表面催化反应/
10.5典型二氧化碳光电催化转化过程/
10.6二氧化碳光电催化转化的方法优势/
课后习题及思考题/
第11章二氧化碳高温电解技术/
11.1高温操作原理/
11.1.1高温操作简介/
11.1.2高温操作基本原理/
11.2电化学原理/
11.3二氧化碳电解/
11.3.1二氧化碳电解介绍/
11.3.2二氧化碳电解的电解池/
11.4二氧化碳与蒸汽共电解/
11.4.1共电解反应路径/
11.4.2共电解用SOEC的关键材料/
课后习题及思考题/
第3篇二氧化碳生物转化
第12章微生物代谢基本原理/
12.1微生物学基础/
12.1.1微生物/
12.1.2微生物细胞/
12.1.3微生物分类/
12.2微生物代谢概述/
12.2.1自由能与ATP/
12.2.2电子载体与还原力/
12.2.3酶在代谢中的作用/
12.2.4微生物代谢类型/
12.3化能异养型微生物/
12.3.1糖酵解/
12.3.2细胞呼吸/
12.3.3发酵/
12.4化能自养型微生物/
12.5光能营养型微生物/
12.5.1光合磷酸化/
12.5.2不产氧光能营养型微生物/
12.5.3产氧光能营养型微生物/
12.6微生物生长的主要影响因素/
12.6.1温度/
12.6.2pH值/
12.6.3渗透压/
12.6.4氧气/
12.6.5其他生化因素/
课后习题及思考题/
第13章微生物固碳基本原理/
13.1固碳微生物/
13.2固碳途径/
13.2.1CBB循环/
13.2.2rTCA循环/
13.2.3还原乙酰辅酶A途径/
13.2.43-羟基丙酸双循环/
13.2.53-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环/
13.2.6二羧酸/4-羟基丁酸循环/
13.3固碳过程主要代谢物和产品/
13.3.1生物甲烷/
13.3.2醇类/
13.3.3烃类/
13.3.4有机酸/
13.3.5糖类/
13.3.6生物塑料/
13.3.7脂肪酸和脂类/
课后习题及思考题/
第14章二氧化碳生物甲烷化技术/
14.1概述/
14.2甲烷化微生物基础理论/
14.2.1嗜氢型产甲烷/
14.2.2同型产乙酸/
14.2.3嗜乙酸型产甲烷/
14.3气液传质基础理论/
14.3.1气液传质过程描述/
14.3.2基于双膜理论的气液传质速率方程/
14.3.3微生物增强型气液传质/
14.3.4容积传质系数与气-液界面面积/
14.4CO2生物甲烷化反应器/
14.4.1连续搅拌釜式反应器/
14.4.2滴流床反应器/
14.5影响CO2生物甲烷化性能的主要因素/
14.5.1温度/
14.5.2压力/
14.5.3气体停留时间/
14.5.4pH值/
课后习题及思考题/
第15章微藻固碳技术/
15.1概述/
15.2微藻固碳基础理论/
15.2.1微藻分类/
15.2.2微藻固碳途径/
15.2.3碳浓缩机制/
15.3光生物反应器/
15.3.1开放式PBR/
15.3.2封闭式PBR/
15.4影响微藻固碳性能的主要因素/
15.4.1光照/
15.4.2温度/
15.4.3pH值/
15.4.4盐度/
课后习题及思考题/
参考文献/
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| 內容試閱：
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本书介绍了二氧化碳的物理和化学性质，以及热、光、电和生物转化的原理及技术，共分为3篇。第1篇主要内容为二氧化碳的热催化转化，包含二氧化碳形成含氧官能团原理、二氧化碳与甲烷重整反应、二氧化碳合成烃类化合物、二氧化碳酯化反应、二氧化碳羧基化反应、二氧化碳合成含氮化合物以及典型二氧化碳热催化转化技术，涉及反应机理、转化路径、催化剂的选择、反应器的设计等方面的知识。第2篇内容为二氧化碳光电转化，包含二氧化碳光催化转化、二氧化碳电催化转化、二氧化碳光电催化转化和二氧化碳高温电解技术，涉及电化学二氧化碳转化的原理和技术，循环伏安法、电化学反应器和催化剂等方面的基本知识。第3篇内容为二氧化碳生物转化，包含微生物代谢基本原理、微生物固碳基本原理、二氧化碳生物甲烷化技术和微藻固碳技术，介绍了微生物二氧化碳转化的基本原理和技术，以及菌种的选择、反应器的设计等方面的内容。
本书的编写旨在为读者提供关于二氧化碳转化的技术和实践的全面知识。本书内容全面、系统，且结合实际，可以大大拓展读者对二氧化碳转化领域的认知和理解，对于推动科技进步和环境保护都具有积极的作用。
本书由林雄超（第1章、第3章、第6章、第7章7.2节和7.3节）、刁琰琰（第2章、第4章、第5章、第7章7.1节）、刘迪（第8章、第9章、第10章）、徐恒（第11章、第12章、第13章、第14章、第15章）主编，曹景沛、谢在来、王建兵、刘骞、夏瑜、张瑞锐、孟祥磊参与了部分章节的编写和整理工作。
限于编者水平，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。
编者
丛书序一
面对全球气候变化日益严峻的形势，碳中和已成为各国政府、企业和社会各界关注的焦点。早在2015年12月，第二十一届联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》首次明确了全球实现碳中和的总体目标。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上，首次提出碳达峰新目标和碳中和愿景。党的二十大报告提出，“积极稳妥推进碳达峰碳中和”。围绕碳达峰碳中和国家重大战略部署，我国政府发布了系列文件和行动方案，以推进碳达峰碳中和目标任务实施。
2023年3月，教育部办公厅下发《教育部办公厅关于组织开展战略性新兴领域 “十四五”高等教育教材体系建设工作的通知》（教高厅函〔2023〕3号），以落实立德树人根本任务，发挥教材作为人才培养关键要素的重要作用。中国矿业大学（北京）刘波教授团队积极行动，申请并获批建设未来产业（碳中和）领域之一系列教材。为建设高质量的未来产业（碳中和）领域特色的高等教育专业教材，融汇产学共识，凸显数字赋能，由63所高等院校、31家企业与科研院所的165位编者（含院士、教学名师、国家千人、杰青、长江学者等）组成编写团队，分碳中和基础、碳中和技术、碳中和矿山与碳中和建筑四个类别（共计14本）编写。本系列教材集理论、技术和应用于一体，系统阐述了碳捕集、封存与利用、节能减排等方面的基本理论、技术方法及其在绿色矿山、智能建造等领域的应用。
截至2023年，煤炭生产消费的碳排放占我国碳排放总量的63%左右，据《2023中国建筑与城市基础设施碳排放研究报告》，全国房屋建筑全过程碳排放总量占全国能源相关碳排放的38.2%，煤炭和建筑已经成为碳减排碳中和的关键所在。本系列教材面向国家战略需求，聚焦煤炭和建筑两个行业，紧跟国内外最新科学研究动态和政策发展，以矿业工程、土木工程、地质资源与地质工程、环境科学与工程等多学科视角，充分挖掘新工科领域的规律和特点、蕴含的价值和精神；融入思政元素，以彰显“立德树人”育人目标。本系列教材突出基本理论和典型案例结合，强调技术的重要性，如高碳资源的低碳化利用技术、二氧化碳转化与捕集技术、二氧化碳地质封存与监测技术、非二氧化碳类温室气体减排技术等，并列举了大量实际应用案例，展示了理论与技术结合的实践情况。同时，邀请了多位经验丰富的专家和学者参编和指导，确保教材的科学性和前瞻性。本系列教材力求提供全面、可持续的解决方案，以应对碳排放、减排、中和等方面的挑战。
本系列教材结构体系清晰，理论和案例融合，重点和难点明确，用语通俗易懂；融入了编写团队多年的实践教学与科研经验，能够让学生快速掌握相关知识要点，真正达到学以致用的效果。教材编写注重新形态建设，灵活使用二维码，巧妙地将微课视频、模拟试卷、虚拟结合案例等应用样式融入教材之中，以激发学生的学习兴趣。
本系列教材凝聚了高校、企业和科研院所等编者们的智慧，我衷心希望本系列教材能为从事碳排放碳中和领域的技术人员、高校师生提供理论依据、技术指导，为未来产业的创新发展提供借鉴。希望广大读者能够从中受益，在各自的领域中积极推动碳中和工作，共同为建设绿色、低碳、可持续的未来而努力。
中国工程院院士
深圳大学特聘教授
2024年12月
丛书序二
2015年12月，第二十一届联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》首次明确了全球实现碳中和的总体目标，“在本世纪下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡”，为世界绿色低碳转型发展指明了方向。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，首次提出碳达峰新目标和碳中和愿景。2021年9月，中共中央、国务院发布《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，推进碳达峰碳中和目标任务实施。2024年5月，国务院印发《2024—2025年节能降碳行动方案》，明确了2024—2025年化石能源消费减量替代行动、非化石能源消费提升行动和建筑行业节能降碳行动具体要求。
党的二十大报告提出，“积极稳妥推进碳达峰碳中和”“推动能源清洁低碳高效利用，推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型”。聚焦“双碳”发展目标，能源领域不断优化能源结构，积极发展非化石能源。2023年全国原煤产量47.1亿t、煤炭进口量4.74亿t，2023年煤炭占能源消费总量的占比降至55.3%，清洁能源消费占比提高至26.4%，大力推进煤炭清洁高效利用，有序推进重点地区煤炭消费减量替代。不断发展降碳技术，二氧化碳捕集、利用及封存技术取得明显进步，依托矿山、油田和咸水层等有利区域，降碳技术已经得到大规模应用。国家发展改革委数据显示，初步测算，扣除原料用能和非化石能源消费量后，“十四五”前三年，全国能耗强度累计降低约7.3%，在保障高质量发展用能需求的同时，节约化石能源消耗约3.4亿t标准煤、少排放CO2约9亿t。但以煤为主的能源结构短期内不能改变，以化石能源为主的能源格局具有较大发展惯性。因此，我们需要积极推动能源转型，进行绿色化、智能化矿山建设，坚持数字赋能，助力低碳发展。
联合国环境规划署指出，到2030 年若要实现所有新建筑在运行中的净零排放，建筑材料和设备中的隐含碳必须比现在水平至少减少40%。据《2023中国建筑与城市基础设施碳排放研究报告》，2021年全国房屋建筑全过程碳排放总量为40.7亿t CO2，占全国能源相关碳排放的38.2%。建材生产阶段碳排放17.0亿t CO2，占全国的16.0%，占全过程碳排放的41.8%。因此建筑建造业的低能耗和低碳发展势在必行，要大力发展节能低碳建筑，优化建筑用能结构，推行绿色设计，加快优化建筑用能结构，提高可再生能源使用比例。
面对新一轮能源革命和产业变革需求，以新质生产力引领推动能源革命发展，近年来，中国矿业大学（北京）调整和新增新工科专业，设置全国首批碳储科学与工程、智能采矿工程专业，开设新能源科学与工程、人工智能、智能建造、智能制造工程等专业，积极响应未来产业（碳中和）领域人才自主培养质量的要求，聚集煤炭绿色开发、碳捕集利用与封存等领域前沿理论与关键技术，推动智能矿山、洁净利用、绿色建筑等深度融合，促进相关学科数字化、智能化、低碳化融合发展，努力培养碳中和领域需要的复合型创新人才，为教育强国、能源强国建设提供坚实人才保障和智力支持。
为此，我们团队积极行动，申请并获批承担教育部组织开展的战略性新兴领域 “十四五”高等教育教材体系建设任务，并荣幸负责未来产业（碳中和）领域之一系列教材建设。本系列教材共计14本，分为碳中和基础、碳中和技术、碳中和矿山与碳中和建筑四个类别，碳中和基础包括《碳中和概论》《碳资产管理与碳金融》和《高碳资源的低碳化利用技术》，碳中和技术包括《二氧化碳转化原理与技术》《二氧化碳捕集原理与技术》《二氧化碳地质封存与监测》和《非二氧化碳类温室气体减排技术》，碳中和矿山包括《绿色矿山概论》《智能采矿概论》《矿山环境与生态工程》，碳中和建筑包括《绿色智能建造概论》《绿色低碳建筑设计》《地下空间工程智能建造概论》和《装配式建筑与智能建造》。本系列教材以碳中和基础理论为先导，以技术为驱动，以矿山和建筑行业为主要应用领域，加强系统设计，构建以碳源的降、减、控、储、用为闭环的碳中和教材体系，服务于未来拔尖创新人才培养。
本系列教材从矿业工程、土木工程、地质资源与地质工程、环境科学与工程等多学科融合视角，系统介绍了基础理论、技术、管理等内容，注重理论教学与实践教学的融合融汇；建设了以知识图谱为基础的数字资源与核心课程，借助虚拟教研室构建了知识图谱，灵活使用二维码形式，配套微课视频、模拟试卷、虚拟结合案例等资源，凸显数字赋能，打造新形态教材。
本系列教材的编写，组织了63所高等院校和31家企业与科研院所，编写人员累计达到165名，其中院士、教学名师、国家千人、杰青、长江学者等24人。另外，本系列教材得到了谢和平院士、彭苏萍院士、何满潮院士、武强院士、葛世荣院士、陈湘生院士、张锁江院士、崔愷院士等专家的无私指导，在此表示衷心的感谢！
未来产业（碳中和）领域的发展方兴未艾，理论和技术会不断更新。编撰本系列教材的过程，也是我们与国内外学者不断交流和学习的过程。由于编者们水平有限，教材中难免存在不足或者欠妥之处，敬请读者不吝指正。
教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系
未来产业（碳中和）团队负责人
2024年12月
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