氢能材料》
简介我国首部氢能材料方面专著
全国近20位专家学者共同编著
李星国 等 编著
责编：袁海燕
书号:978-7-122-46003-5
定价：358.00
目前国内介绍氢能材料的专业书籍稀缺，希望本书能够帮助读者了解氢能产业链中的材料，能为广大读者提供有益的信息。
第1、2章介绍了氢气基本特性和氢能产业链中的设备及相关材料。
第3章特别介绍了金属、陶瓷和有机物等材料中的氢溶入、氢状态、氢行为以及对材料性能的影响。
第4~8章介绍了氢气制备、纯化、储存和输运领域的相关材料。
第9~14章介绍了燃料电池、加氢站、氢气传感器、氢冶金、氢安全等氢能应用领域中的关键材料。
本书不仅介绍了材料的设计和制备、性能表征和调控方法，而且介绍了一些关键材料的生产厂家、型号和特性、存在的问题和发展动态，可使读者较全面和深入地认识氢能相关材料。
本书可供能源、交通、石油、化工、电子、冶金、宇航等领域与氢能源使用和研究相关的学生、研究者、工程技术人员、科研管理人员参考使用。
# 目录预览 #
第1章氢气的基本特性
1.1氢的形成、存在和发现
1.1.1氢在宇宙中的分布
1.1.2氢气的发现
1.2氢原子及同位素
1.2.1氢原子
1.2.2氢的同位素
1.2.3核聚变反应的原理
1.3氢分子的结构及物理性质
1.3.1H2的结构
1.3.2H2的核自旋异构体
1.3.3气态氢气
1.3.4气体方程
1.3.5液态氢和固态氢
第1章氢气的基本特性
1.1氢的形成、存在和发现
1.1.1氢在宇宙中的分布
1.1.2氢气的发现
1.2氢原子及同位素
1.2.1氢原子
1.2.2氢的同位素
1.2.3核聚变反应的原理
1.3氢分子的结构及物理性质
1.3.1H2的结构
1.3.2H2的核自旋异构体
1.3.3气态氢气
1.3.4气体方程
1.3.5液态氢和固态氢
1.3.6金属氢
1.4氢的化学性质
1.4.1氢原子的电子结构和成键特征
1.4.2氢的化学反应
1.4.3氢化物
1.5氢气的能量
1.5.1氢气的高热值和低热值
1.5.2与液态燃料的比较
1.5.3世界各国对氢气能量的研究动态
1.5.4推动氢能发展的四个因素
1.6氢气与材料的相关性
1.6.1制氢新材料
1.6.2氢气分离和提纯新材料
1.6.3氢气储运新材料
1.6.4氢能利用领域的新材料
参考文献

第2章氢能产业装备与材料
2.1氢能主要应用场景
2.1.1工业
2.1.2交通
2.1.3发电
2.1.4建筑
2.2装备与材料
2.2.1制氢领域
2.2.2氢储运领域
2.2.3氢加注领域
2.2.4氢能应用领域
参考文献

第3章材料中的氢
3.1金属中的氢
3.1.1氢进入金属的过程和在金属中的状态
3.1.2氢在金属中的固溶位置
3.1.3金属中的氢固溶度
3.1.4金属中的氢固溶焓
3.1.5金属-氢相图
3.1.6氢在金属中的扩散
3.1.7充氢和氢气的检测方法
3.1.8氢对金属性能的影响
3.2陶瓷中的氢
3.2.1氢在陶瓷中的侵入和扩散
3.2.2质子传导陶瓷材料
3.2.3氧化物质子传导机制
3.2.4质子陷阱
3.2.5质子陶瓷燃料电池
3.3有机材料中的氢
3.3.1聚合物膜的氢气渗透
3.3.2氢燃料电池质子交换膜
3.3.3PEM的种类和质子传递机理
3.3.4PEM存在的问题
3.3.5有机液体储氢
参考文献

第4章氢气制备中的材料
4.1甲烷重整或分解制氢中的材料
4.1.1甲烷的蒸汽重整反应
4.1.2甲烷的催化分解
4.2电解水制氢中的材料
4.2.1碱性电解池
4.2.2质子交换膜电解池
4.2.3氢氧根交换膜电解池
4.3生物质制氢中的材料
4.3.1生物质通过热化学转化制氢
4.3.2生物发酵制氢的过程与材料
4.4光电化学池水分解
4.4.1光电化学池水分解的基本过程
4.4.2用于光电化学池水分解的金属氧化物光电极
4.5太阳能热化学制氢中的材料
参考文献

第5章氢气分离及相关材料
5.1氢气分离与纯化
5.1.1氢气应用的两种形式——混氢和纯氢
5.1.2不同制氢方法的含氢量
5.1.3不同应用场合对氢的要求
5.2氢气的过滤及过滤材料
5.2.1气体的过滤
5.2.2气体过滤机理
5.2.3氢气过滤材料
5.3氢气纯化方法
5.3.1纯化方法的种类
5.3.2溶液吸收法
5.3.3催化反应法
5.3.4低温分离法
5.3.5吸附法（选择吸附法）
5.3.6膜分离法
5.3.7金属氢化物分离法
5.3.8几种氢气分离方法的比较
5.4变压吸附法原理和工艺
5.4.1国内外研究现状
5.4.2吸附现象与PSA原理
5.4.3变压吸附法的工艺
5.4.4多床变压吸附法
5.5吸附剂材料
5.5.1选择性吸附机理
5.5.2吸附剂的种类
5.5.3活性炭
5.5.4分子筛（沸石）
5.5.5硅胶
5.5.6活性氧化铝
5.5.7金属有机框架化合物吸附剂
5.5.8不同吸附剂的性能比较
5.5.9吸附剂再生及在低温和中温下的变压吸附
5.6氢气的膜分离及材料
5.6.1膜分离种类和机理
5.6.2金属（合金）膜
5.6.3无机非金属膜
5.6.4有机膜
5.6.5多层复合膜氢分离
5.6.6多种氢分离膜的比较
5.7金属氢化物纯化法
5.8氢气同位素分离
5.8.1氢同位素的特性
5.8.2氢同位素的分离浓缩
5.8.3常见的氢同位素的分离方法
5.8.4氢同位素分离材料
5.8.5核聚变和氚的回收
参考文献

第6章储氢材料
6.1物理吸附储氢材料
6.1.1碳基材料
6.1.2金属有机框架材料
6.1.3共价有机框架材料
6.1.4多孔有机聚合物材料
6.1.5沸石
6.2金属储氢材料
6.2.1稀土系储氢材料
6.2.2Mg系储氢材料
6.2.3Ti系储氢材料
6.2.4V基固溶体系储氢材料
6.2.5Zr系储氢材料
6.3无机非金属储氢材料
6.3.1金属铝氢化物
6.3.2金属硼氢化物
6.3.3金属氮氢化物
6.3.4氨硼烷储氢材料
6.4液态有机氢载体
6.4.1液态有机氢载体概述
6.4.2液态有机氢载体研究现状
6.5其他储氢材料（技术）
6.5.1高熵合金储氢
6.5.2液氨
6.5.3水合物储氢技术
6.5.4玻璃微球储氢材料
6.5.5地下储氢
参考文献

第7章高压氢气容器、管道及材料
7.1氢气压缩特性和密度变化
7.1.1概述
7.1.2氢气压缩特性
7.1.3氢气压缩过程的密度变化
7.2工业氢气钢瓶
7.2.1概述
7.2.2结构、材料及发展现状
7.3道路输氢设备
7.3.1概述
7.3.2分类
7.3.3气瓶材料
7.3.4道路输氢的安全性分析
7.4大型高压储氢罐
7.4.1概述
7.4.2单层钢质高压储氢罐
7.4.3多层钢质高压储氢罐
7.5高压输氢管道
7.5.1概述
7.5.2分类及用途
7.5.3管道材料
7.5.4各国建设情况及技术水平
7.6车载高压钢瓶
7.6.1概述
7.6.2全金属储罐（Ⅰ型）
7.6.3金属内胆纤维环向缠绕储罐（Ⅱ型）
7.6.4金属内胆纤维全缠绕储罐（Ⅲ型）
7.6.5非金属内胆纤维全缠绕储罐（Ⅳ型）
7.6.6全复合材料的无内胆储罐（V型）
参考文献

第8章液氢容器和设备及关键材料
8.1液态氢的生产
8.1.1Linde-Hampson效应
8.1.2Claude循环
8.1.3布雷顿循环
8.1.4正-仲氢转化
8.1.5液化的效率和现在的生产水平
8.2液氢容器及相关材料
8.2.1液氢容器类型
8.2.2液氢容器材料
8.2.3液氢容器应用场景
8.3液氢泵及关键材料
8.3.1液氢泵概述
8.3.2液氢泵热力学充填模型
8.3.3液氢泵关键材料
8.4液氢阀门、仪表及相关材料
8.4.1液氢阀门及相关材料
8.4.2液氢仪表及相关材料
8.5其他相关材料
参考文献

第9章燃料电池中的材料
9.1燃料电池简介
9.1.1工作原理及发展历史
9.1.2燃料电池的分类
9.1.3燃料电池的基本构造
9.1.4燃料电池系统及其应用
9.1.5燃料电池中的材料
9.2中低温燃料电池中的电解质材料
9.2.1质子交换膜
9.2.2高温质子交换膜
9.2.3DMFC中的质子交换膜
9.2.4AFC中的电解质
9.2.5电极和电催化剂
9.3气体扩散层
9.4双极板
9.4.1双极板材料
9.4.2双极板的流场设计
9.5固体氧化物燃料电池中的材料
9.5.1固体氧化物电解质
9.5.2电极
参考文献

第10章加氢站中的关键设备材料
10.1加氢站概述
10.2隔膜压缩机
10.2.1膜片材料
10.2.2柱塞系统材料
10.2.3螺栓材料
10.2.4气缸以及配气盘材料
10.2.5密封材料

10.3加氢机
10.3.1阀门材料
10.3.2加氢机软管材料
10.4加氢站高压管路材料
10.5加氢站的储罐材料
10.5.1加氢站中气态氢储罐材料
10.5.2加氢站中液态氢储罐材料
10.6本章总结
参考文献

第11章氢气传感器材料
11.1氢气传感器基本原理、敏感材料及种类
11.1.1氢气传感器基本原理
11.1.2氢气传感器敏感材料
11.1.3氢气传感器的种类
11.2半导体型氢气传感器
11.2.1传感器原理和结构
11.2.2敏感材料及发展现状
11.3催化型传感器
11.3.1传感器原理和结构
11.3.2敏感材料及发展现状
11.4电化学型传感器
11.4.1传感器原理和结构
11.4.2敏感材料及发展现状
11.5热导型氢气传感器
11.6光学型传感器
11.6.1传感器原理和结构
11.6.2敏感材料及发展现状
11.7声学型传感器
参考文献

第12章氢冶金和氢还原
12.1氢冶金的发展
12.2直接还原铁
12.2.1氢气直接还原铁
12.2.2气基直接还原铁工艺
12.3直接还原铁的机理和特点
12.3.1氢基竖炉内主要反应
12.3.2氢还原铁的特点
12.3.3直接还原铁成品的性能分析
12.4常规高炉的氢冶金
12.4.1高炉富氢冶炼技术开发
12.4.2高炉氢冶金
12.4.3混氢冶金和全氢冶金
12.4.4熔盐中的直接还原
12.5氢还原热力学和动力学
12.5.1O2分压和H2O分压的影响
12.5.2氢直接还原热力学
12.5.3CO或H2还原的区别
12.5.4氢还原和铁的形成过程
12.6氢等离子体还原
12.6.1两种还原模式
12.6.2氢等离子体熔炼还原
12.6.3微波辅助低温氢等离子体
12.7有色金属氧化物的氢直接还原
12.7.1氧化钨还原
12.7.2氧化钼还原
12.7.3镍氧化物还原
12.7.4稀有金属氧化物
12.7.5氢辅助镁热还原TiO2
12.7.6氢等离子体在金属氧化物还原中的应用
12.8氢冶金的研究动态
12.8.1日本和韩国
12.8.2欧洲
12.8.3美国
12.8.4中国
12.8.5氢冶金的发展和面临的问题
12.9氢气在其他材料制备领域的应用
12.9.1氢气氛下材料热处理和烧结
12.9.2超高纯多晶硅的制备
12.9.3氢致金属非晶化
12.9.4氢致歧化和HDDR
参考文献

第13章其他与氢相关材料
13.1生物学氢材料
13.1.1生物医学
13.1.2农学
13.2保健相关氢材料
13.2.1水素水（富氢水）
13.2.2吸氢机
13.2.3其他类型氢产品
13.3军用含能材料
13.3.1三氢化铝
13.3.2镁基储氢材料
13.3.3其他储氢材料
参考文献
第14章氢环境下的材料安全
14.1临氢材料的安全问题
14.1.1氢气的安全性
14.1.2材料的安全性
14.2材料机械性能和破坏
14.2.1材料的变形和断裂破坏
14.2.2磨损、时效、蠕变和疲劳破坏
14.3腐蚀引起的破坏
14.3.1根据腐蚀机理分类
14.3.2根据腐蚀形态分类
14.3.3氢损伤
14.4材料的氢脆
14.4.1氢脆现象
14.4.2氢脆的种类
14.4.3氢在金属中的存在状态
14.4.4氢脆机理
14.4.5不同材料的氢脆
14.4.6常涉及氢脆的一些场合
14.4.7氢脆的预防
14.5氢气泄漏和密封材料
14.5.1高压氢气泄漏
14.5.2氢气泄漏与密封材料损坏
14.5.3密封材料
14.5.4气密性的检测方法
14.6高压氢气与材料破坏
14.6.1一般工业钢瓶
14.6.2高压氢气复合容器
14.6.3高压储氢容器的安全检测
14.7液态氢气与材料低温冷脆
14.7.1液态氢气及安全
14.7.2冷却氢气的特性
14.7.3材料的低温冷脆
14.7.4液氢使用时的材料选择
14.8储氢材料的安全问题
14.8.1金属氢化物的着火和燃烧
14.8.2粉尘爆炸的危险性
14.8.3高温引起的高压

氢能材料
能源的使用历经三次革命。第三次能源革命是以风、光发电为主的绿色新能源的开发和应用，逐步实现“非化石能源对化石能源的替代”。第三次能源革命的关键是清洁能源、储能、智能化。
氢能作为一种热值高、污染小、可由水制取、资源丰富的清洁能源，在“双碳”目标大背景下，为各行业脱碳提供了重要途径，被视为21 世纪最具发展潜力的清洁能源和解决3E（能源安全、环境清洁和经济成长）问题的新途径。
1氢能的广泛应用及发展挑战
氢能利用可以获得其他技术难以获得的效果，目前氢能的应用已经渗透到传统能源的各个方面，主要应用在交通和工业领域，同时，氢能在建筑、发电、军事等领域也有广泛应用。
虽然氢能发展还面临着成本高、技术不成熟、基础设施薄弱等诸多问题，氢能发展也因此受到很多质疑，但是有以下多个重要的原因势必推动氢能的发展：① 化石资源的枯竭；② 环境污染和CO2减排的要求；③ 大规模能源储运的需求；④ 可再生能源直接制氢；⑤ 其方便合成氨、甲醇等其他燃料；⑥ 其优异的还原特性。
为了建立一个以氢为基础的能源社会，需要解决以下问题：①大规模低成本制氢方法的开发和相关一次能源的确保；②建立安全的氢的制取、运输、储藏、供给网络；③开发各种高效利用氢的应用领域和市场；④确保构成氢能系统的金属、陶瓷和高分子等关键材料的资源及相应制造方法；⑤氢-材料相互作用中的基础现象、机理和调控方法；⑥推进社会对氢能的认知，解决能源系统变更对应的各种问题。这其中有两项都与氢能材料相关。
2氢能产业链对新材料的迫切需求
氢能产业链中的制氢、氢分离、储氢、输运、应用等各个领域都会用到不同的材料，要求它们具有相应的特殊性能。这些材料所涉及的性能和性质包括机械与力学、化学腐蚀、催化活性、氢扩散、气密性、疏水性、氢脆、电传导、热传递等，不同环境下使用时需要考虑高温、低温、气氛、湿度等的影响，在安全性上还需要考虑材料的耐高压性能、氢气泄漏、氢脆等问题。氢能产业与材料密切相关，理解氢与材料的相互作用，掌握材料制备和性能调控关键技术在很大程度上决定着氢能产业的发展。
新材料是氢能的基础和先导，是处于各个产业链最上游、技术壁垒最高的部分，将为新一轮氢能科技革命和产业革命提供坚实的物质基础。氢能产业链主要包括氢气制备、氢气分离与提纯、氢气储运、氢能转换等环节，对新材料提出了越来越迫切的需求。

3组织编著助力氢能产业发展
为更好地服务全行业，在出版社前期已经组织的“氢能利用关键技术系列”五个分册的基础上，化学工业出版社编辑袁海燕特邀北京大学李星国教授组织编写一部《氢能材料》，这是“氢能利用关键技术系列”的第六个分册。