探索能源材料：賦能可持續未來

Geoffrey A. Ozin，多倫多大學傑出教授，加拿大政府材料化學與納米化學研究首席專家，目前是多倫多大學太陽能燃料研究團隊的負責人，英國皇家學會和倫敦大學學院的名譽教授，倫敦納米技術中心外聘專家，德國馬普膠體與界面科學研究所、卡爾斯魯厄理工學院功能納米結構中心的洪堡 科學家，巴斯大學 講席教授。他撰寫了三本著作：《納米化學：納米材料的化學途徑》（2006），《納米化學的概念》（2009），《二氧化碳的故事：小分子，大世界》（2020年）。他和妻子一起住在加拿大多倫多。 Joel Y. Y. Loh是多倫多大學電氣與計算機工程系的博士後研究員。曾在新加坡南洋理工大學獲得材料科學與工程學士學位，此後進入多倫多大學電氣工程系攻讀碩士和博士學位。由於在 光伏和光電器件方面的傑出研究工作，他榮獲了康諾特學者獎和 研究獎，還獲得了加拿大自然科學與工程研究委員會的多項基金資助。他致力於開發能源應用的超材料和用於神經形態計算應用的憶阻器。

第1章 能源讓世界動起來
1.1 引言
1.2 能源現狀
1.3 能源話題
1.4 能源材料
1.5 能源系統
1.6 能源思維樹
1.7 能源材料實施潛能
1.8 凈零排放能源基礎設施
1.9 能源轉型融資
1.10 能源轉型的挑戰
1.11 能源整合
1.12 本章關鍵要點
第2章 材料化學家如何思考
2.1 引言
2.2 背景知識
2.3 材料化學教學與實踐：跨學科視角
2.4 下一步是什麼
2.5 我們為什麼需要發現新材料
2.6 化學家如何制造材料——元素選擇
2.7 選擇合成方法
2.8 形狀和尺寸決定一切
2.9 固體反應的方法和機理
2.10 如何設計固體反應
2.11 固體（1）+液體/溶液固體（2）
2.12 固（1）固體（2）
2.13 固體（1）+氣體固體（2）
2.14 固體（1）+固體（2）固體（3）
2.15 材料重現性
2.16 化學家如何賦予能源材料以功能
2.17 材料化學的千變萬化
2.18 本章關鍵要點
第3章 能量轉換材料（第一部分和第二部分）
3.1 能量轉換材料（第一部分）
3.2 太陽能
3.3 太陽能轉換
3.4 太陽能發電基礎
3.5 太陽能電池的種類
3.6 下一代太陽能電池材料是什麼
3.7 透明矽太陽能電池
3.8 發光光伏
3.9 農用有色透明矽太陽能電池
3.10 光伏驅動離子傳輸
3.11 肖特基太陽能電池——光影內外
3.12 電網平價
3.13 太陽能熱離子學基礎（能量轉換材料第二部分）
3.14 太陽能熱化學基礎
3.15 太陽能熱化學氧化還原循環
3.16 太陽能熱材料、反應器和工藝
3.17 太陽能熱性能指標
3.18 光伏-膜蒸餾
3.19 本章關鍵要點
第4章 能量轉換材料（第三部分）
4.1 太陽能電化學、光化學、光電化學
4.2 H2O光催化——水相和氣相
4.3 軟化學：綠氫
4.4 CO2光催化——水相和氣相
4.5 CO2光熱催化
4.6 CO2電催化
4.7 CO2生物光電化學
4.8 CO2生物光催化
4.9 持久型CO2光催化——黑暗中的太陽能燃料
4.10 基於持久催化的太陽能電池微遊泳器
4.11 聚合物光催化
4.12 等離子體CO2光催化
4.13 光催化超材料
4.14 鈣鈦礦CO2光催化劑案例
4.15 拓撲催化
4.16 電搖擺直接空氣捕集材料
4.17 碳中和的替代方案——CO2和甘油的共電解
4.18 CO2捕獲和利用中的碳足跡
4.19 可持續的“綠色”氨合成
4.20 機械化學合成氨
4.21 氨合成的新熱力學範式
4.22 直接空氣碳捕獲列車拯救世界
4.23 本章關鍵要點
第5章 能量轉換材料（第四部分）
5.1 發光二極管——從電能到光能
5.2 熱電材料——熱能轉換為電能
5.3 太陽能熱電發電機——光能到熱能到電能的轉變
5.4 熱光子器件——光能轉化為熱能和電能
5.5 摩擦生電——機械能轉化為電能
5.6 壓電體——機械能轉化為電能
5.7 超導體——高效的能量傳輸
5.8 電致變色窗
5.9 被動冷卻窗
5.10 太陽能反射塗料
5.11 本章關鍵要點
第6章 儲能材料（第一部分）
6.1 引言
6.2 H2用途
6.3 H2存儲
6.4 燃料電池
6.5 質子交換膜燃料電池基礎知識
6.6 質子交換膜燃料電池的發展
6.7 羥基交換膜燃料電池的發展
6.8 直接甲酸燃料電池
6.9 固體氧化物燃料電池的發展
6.10 用於火星的燃料電池
6.11 本章關鍵要點
第7章 儲能材料（第二部分）
7.1 電池——化學能到電能的可逆轉化
7.2 固態電池基礎知識——電解質和電極
7.3 快充鋰電池
7.4 後鋰電時代展望
7.5 氧化還原液流電池
7.6 高溫液態金屬電池
7.7 室溫液態金屬電池
7.8 微型鋰電池
7.9 太陽能充電鋅離子電池
7.10 儲能和固氮雙功能Al-N2電池
7.11 有機電池
7.12 電池回收
7.13 多肽電池
7.14 本章關鍵要點
第8章 儲能材料（第三部分）
8.1 超級電容器
8.2 Ragone圖
8.3 能源屋（powerhouse）：磚瓦式電力儲存
8.4 本章關鍵要點
第9章 人機交互
9.1 第四科學範式
9.2 材料基因組計劃
9.3 納米材料基因組計劃
9.4 為什麼是新材料
9.5 組合材料化學
9.6 人工智能引導材料研究中的機器學習基礎知識
9.7 實驗和計算間的反饋
9.8 有機-無機界面間的電荷轉移
9.9 探索和發現——從預測到發現
9.10 反向策略探索材料
9.11 學習網絡中數據抽象的簡介
9.12 金屬有機框架的逆向設計
9.13 高熵材料——超級固溶體
9.14 人工化學家
9.15 合理的固相合成路線
9.16 太陽追蹤器的機器學習
9.17 意外的新發現
9.18 人工智能和機器學習面臨的挑戰
9.19 人工智能方法的基準測試
9.20 揭開新材料探索中人工智能和機器學習方法的神秘面紗
9.21 反思：我們正在發展去人類化的化學嗎
9.22 本章關鍵要點
第10章 致未來
10.1 下一步怎