太陽能轉化科學與技術

目錄
序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 光的本質和光科學 2
1.1.1 光科學發(fā)展簡述 2
1.1.2 光本質的科學探索 3
1.1.3 光本質探索研究的科學意義及深遠影響 5
1.2 太陽能與人類 7
1.2.1 太陽能與地球生命演化 8
1.2.2 太陽能及其光譜分布 8
1.2.3 太陽能資源分布概況 13
1.2.4 太陽能的特點及轉化途徑 14
1.3 地球生態(tài)環(huán)境與人類社會可持續(xù)發(fā)展 16
1.3.1 人類能源開發(fā)利用對地球生態(tài)環(huán)境的影響 16
1.3.2 人類社會可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略 16
參考文獻 18
第2章 太陽能轉化之自然光合作用 19
2.1 光合作用概述 20
2.1.1 光合生物演化簡史 20
2.1.2 光合作用與生物圈 21
2.1.3 光合作用研究的歷史 22
2.1.4 光合作用的基本過程 24
2.2 原初光能轉化過程 26
2.2.1 太陽能的捕獲與傳遞 26
2.2.2 光化學反應 28
2.3 光系統(tǒng)Ⅱ 29
2.3.1 捕光復合物的能量傳遞過程 29
2.3.2 PS Ⅱ核心復合物結構 32
2.3.3 PS Ⅱ光化學反應和電荷傳遞 34
2.3.4 放氧中心結構及水氧化反應 36
2.3.5 光破壞及其防御機制 41
2.4 細胞色素b6f復合物 42
2.4.1 Cyt b6f的結構 42
2.4.2 Cyt b6f的功能 43
2.5 光系統(tǒng)Ⅰ 43
2.5.1 PSⅠ反應中心復合物的基本結構 44
2.5.2 捕光天線 45
2.5.3 電荷分離與電子轉移 45
2.6 還原力的形成 47
2.6.1 NADPH的生成 47
2.6.2 光合磷酸化—ATP的合成 47
2.7 二氧化碳固定 49
2.7.1 光合碳還原循環(huán)—Calvin循環(huán) 49
2.7.2 光合產(chǎn)物 51
2.8 自然光合作用體系中的能量損失 51
2.8.1 光吸收過程中的能量損失 52
2.8.2 反應中心光電轉化過程的能量損失 53
2.8.3 電子傳遞能差及光合產(chǎn)物能量 53
2.8.4 光呼吸及其他因素 53
2.9 生物能源簡介 53
2.9.1 微藻光合產(chǎn)氫 54
2.9.2 微藻生物燃料 54
2.10 生物固氮反應簡介 55
2.11 人工光合成 55
2.11.1 自然光合作用對人工光合成的啟發(fā) 56
2.11.2 人工光合成體系的設計 57
2.11.3 自然-人工光合成體系之雜化 58
2.12 光合作用及合成生物學簡介 59
2.13 展望 60
參考文獻 61
第3章 太陽能轉化之光催化 64
3.1 人工光合成與自然光合作用 65
3.2 光催化基礎概述 65
3.2.1 光催化劑的基本概念 66
3.2.2 光催化分解水的基本原理 66
3.2.3 光催化分解水的熱力學和動力學 67
3.2.4 完全分解水和產(chǎn)氫、產(chǎn)氧半反應 68
3.2.5 太陽能利用效率 70
3.2.6 光催化反應與儲能的關系 71
3.2.7 單一光催化劑和Z機制完全分解水體系 72
3.3 半導體基光催化劑的組成及光吸收 74
3.3.1 光催化材料的元素組成 74
3.3.2 半導體光催化劑的光吸收 75
3.3.3 其他拓展光吸收范圍的方法 78
3.4 光催化過程中的光生電荷分離 81
3.5 光催化過程中的催化作用 85
3.5.1 光催化反應與光化學反應的區(qū)別 85
3.5.2 光催化反應與熱催化反應的關系 86
3.5.3 光催化中的助催化劑 89
3.5.4 光催化中助催化劑的作用機制 90
3.5.5 氧化還原雙助催化劑 93
3.5.6 助催化劑與電催化劑的區(qū)別與聯(lián)系 96
3.6 光催化動態(tài)學光譜表征技術簡介 97
3.7 光催化分解水表面反應機理 99
3.8 人工光合成中的分子光催化劑 101
3.8.1 分子光催化體系 102
3.8.2 分子光催化體系的光致電荷轉移 102
3.8.3 分子光催化體系研究進展簡介 103
3.9 光催化分解水的規(guī)模化應用可行性探索 105
3.10 太陽能分解水制氫的途徑與前景 108
3.10.1 太陽能分解水制氫的途徑 108
3.10.2 規(guī)?；柲芊纸馑茪涞那熬?109
3.11 光催化二氧化碳還原 111
3.12 規(guī)模化人工光合成太陽燃料簡介 112
3.13 太陽能光催化的其他重要應用領域簡介 116
3.13.1 光催化治理環(huán)境污染物 116
3.13.2 光催化有機合成 118
3.14 展望 121
參考文獻 123
第4章 太陽能轉化之光電催化 128
4.1 光電催化人工光合成的原理和特點 129
4.2 半導體-溶液界面雙電層和能級分布 131
4.3 半導體-溶液界面電荷傳遞及光電流理論簡介 141
4.4 光電催化分解水體系的分類 144
4.4.1 單一光陽極體系 144
4.4.2 單一光陰極體系 145
4.4.3 光陽極-光陰極體系 145
4.4.4 光電-光伏耦合體系 145
4.5 光電催化測試條件及參數(shù) 146
4.6 光電催化分解水主要效率指標 148
4.6.1 太陽能到氫能轉化效率 148
4.6.2 外加偏壓下光電轉換效率 150
4.6.3 外量子效率 152
4.6.4 內(nèi)量子效率 153
4.7 提升光電催化性能的常用策略 154
4.7.1 增加光吸收 154
4.7.2 促進光生電荷分離和傳輸 154
4.7.3 促進表面催化反應 157
4.8 光電催化相關電解水原理和催化劑簡介 157
4.8.1 電極反應動力學簡介 159
4.8.2 電催化產(chǎn)氫反應機理 164
4.8.3 產(chǎn)氫電催化劑 165
4.8.4 電催化產(chǎn)氧反應機理 166
4.8.5 產(chǎn)氧電催化劑 168
4.8.6 光電催化分解水反應機理研究進展 169
4.9 光電極制備和界面修飾方法 170
4.9.1 物理方法制備光電極 170
4.9.2 化學方法制備光電極 171
4.9.3 界面修飾方法 172
4.10 光電催化轉化平臺 173
4.11 展望 174
參考文獻 175
第5章 太陽能轉化之太陽電池 179
5.1 太陽電池歷史與現(xiàn)狀 180
5.1.1 太陽電池發(fā)展歷史 180
5.1.2 太陽電池研究現(xiàn)狀 184
5.2 太陽電池基礎 186
5.2.1 載流子的產(chǎn)生 186
5.2.2 載流子的分離 189
5.2.3 載流子的輸運和收集 194
5.2.4 太陽電池性能表征 195
5.2.5 太陽電池熱力學極限效率 200
5.3 各類太陽電池簡介 203
5.3.1 晶體硅太陽電池 204
5.3.2 硅薄膜太陽電池 210
5.3.3 碲化鎘薄膜太陽電池 213
5.3.4 銅銦鎵硒薄膜太陽電池 214
5.3.5 砷化鎵薄膜太陽電池 215
5.3.6 有機太陽電池 216
5.3.7 染料敏化太陽電池 221
5.3.8 鈣鈦礦太陽電池 225
5.3.9 疊層太陽電池 232
5.4 展望 234
參考文獻 237
第6章 太陽能轉化之光熱轉化 238
6.1 光能—熱能轉化 239
6.1.1 光熱本質 239
6.1.2 光熱轉化原理 241
6.1.3 光熱儲存原理 243
6.2 光熱能—電能轉化 245
6.2.1 光熱間接發(fā)電 245
6.2.2 熱電直接發(fā)電 252
6.3 光熱能—化學能轉化 257
6.3.1 熱化學分解H2O及CO2研究 258
6.3.2 光熱催化制備化學品簡介 265
6.4 展望 267
參考文獻 268
關鍵詞索引 270