本书纵览了可再生能源技术及相关的众多材料，涵盖了从能源生产到转化和存储等诸多主题，并对人工智能在该领域的应用进行了初步探讨。本书不仅致力于揭示能源材料如何成为从人力劳作向机械化、自动化乃至智能化转型过程中的关键驱动力，更深刻剖析了它们如何携手人机协作的崭新模式，共同推动可再生能源领域的突破性进展。通过阅读本书，读者将得以全面理解并珍视能源材料在塑造现代工业体系、促进可持续发展中所扮演的核心角色。
本书可供能源材料领域研究人员及能源与动力工程、材料科学与工程等专业师生参考阅读。
Geoffrey A. Ozin，多伦多大学杰出教授，加拿大政府材料化学与纳米化学研究首席专家，目前是多伦多大学太阳能燃料研究团队的负责人，英国皇家学会和伦敦大学学院的名誉教授，伦敦纳米技术中心外聘专家，德国马普胶体与界面科学研究所、卡尔斯鲁厄理工学院功能纳米结构中心的洪堡高级科学家，巴斯大学全球讲席教授。他撰写了三本著作：《纳米化学：纳米材料的化学途径》（2006），《纳米化学的概念》（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伦多。
Joel Y. Y. Loh是多伦多大学电气与计算机工程系的博士后研究员。曾在新加坡南洋理工大学获得材料科学与工程学士学位，此后进入多伦多大学电气工程系攻读硕士和博士学位。由于在先进光伏和光电器件方面的杰出研究工作，他荣获了康诺特学者奖和卓越研究奖，还获得了加拿大自然科学与工程研究委员会的多项基金资助。他致力于开发能源应用的超材料和用于神经形态计算应用的忆阻器。
第1章 能源让世界动起来 001
1.1 引言 002
1.2 能源现状 003
1.3 能源话题 007
1.4 能源材料 008
1.5 能源系统 009
1.6 能源思维树 010
1.7 能源材料实施潜能 010
1.8 净零排放能源基础设施 011
1.9 能源转型融资 013
1.10 能源转型的挑战 015
1.11 能源整合 021
1.12 本章关键要点 023
第2章 材料化学家如何思考 025
2.1 引言 026
2.2 背景知识 026
2.3 材料化学教学与实践：跨学科视角 027
2.4 下一步是什么 030
2.5 我们为什么需要发现新材料 031
2.6 化学家如何制造材料——元素选择 034
2.7 选择合成方法 036
2.8 形状和尺寸决定一切 036
2.9 固体反应的方法和机理 037
2.10 如何设计固体反应 038
2.11 固体（1）+液体/溶液 固体（2） 039
2.12 固（1） 固体（2） 041
2.13 固体（1）+气体 固体（2） 041
2.14 固体（1）+固体（2） 固体（3） 042
2.15 材料重现性 044
2.16 化学家如何赋予能源材料以功能 045
2.17 材料化学的千变万化 047
2.18 本章关键要点 052
第3章 能量转换材料（第一部分和第二部分） 055
3.1 能量转换材料（第一部分） 056
3.2 太阳能 056
3.3 太阳能转换 057
3.4 太阳能发电基础 058
3.5 太阳能电池的种类 061
3.6 下一代太阳能电池材料是什么 063
3.7 透明硅太阳能电池 066
3.8 发光光伏 067
3.9 农用有色透明硅太阳能电池 070
3.10 光伏驱动离子传输 071
3.11 肖特基太阳能电池——光影内外 073
3.12 电网平价 074
3.13 太阳能热离子学基础（能量转换材料第二部分） 076
3.14 太阳能热化学基础 077
3.15 太阳能热化学氧化还原循环 079
3.16 太阳能热材料、反应器和工艺 080
3.17 太阳能热性能指标 082
3.18 光伏-膜蒸馏 083
3.19 本章关键要点 084
第4章 能量转换材料（第三部分） 089
4.1 太阳能电化学、光化学、光电化学 090
4.2 H2O光催化——水相和气相 090
4.3 软化学：绿氢 100
4.4 CO2光催化——水相和气相 102
4.5 CO2光热催化 109
4.6 CO2电催化 111
4.7 CO2生物光电化学 113
4.8 CO2生物光催化 116
4.9 持久型CO2光催化——黑暗中的太阳能燃料 119
4.10 基于持久催化的太阳能电池微游泳器 122
4.11 聚合物光催化 124
4.12 等离子体CO2光催化 127
4.13 光催化超材料 130
4.14 钙钛矿CO2光催化剂案例 131
4.15 拓扑催化 138
4.16 电摇摆直接空气捕集材料 141
4.17 碳中和的替代方案——CO2和甘油的共电解 144
4.18 CO2捕获和利用中的碳足迹 145
4.19 可持续的“绿色”氨合成 147
4.20 机械化学合成氨 151
4.21 氨合成的新热力学范式 152
4.22 直接空气碳捕获列车拯救世界 153
4.23 本章关键要点 155
第5章 能量转换材料（第四部分） 163
5.1 发光二极管——从电能到光能 164
5.2 热电材料——热能转换为电能 168
5.3 太阳能热电发电机——光能到热能到电能的转变 173
5.4 热光子器件——光能转化为热能和电能 174
5.5 摩擦生电——机械能转化为电能 175
5.6 压电体——机械能转化为电能 178
5.7 超导体——高效的能量传输 182
5.8 电致变色窗 185
5.9 被动冷却窗 187
5.10 太阳能反射涂料 191
5.11 本章关键要点 193
第6章 储能材料（第一部分） 197
6.1 引言 198
6.2 H2用途 200
6.3 H2存储 201
6.4 燃料电池 206
6.5 质子交换膜燃料电池基础知识 208
6.6 质子交换膜燃料电池的发展 209
6.7 羟基交换膜燃料电池的发展 211
6.8 直接甲酸燃料电池 213
6.9 固体氧化物燃料电池的发展 215
6.10 用于火星的燃料电池 219
6.11 本章关键要点 221
第7章 储能材料（第二部分） 224
7.1 电池——化学能到电能的可逆转化 225
7.2 固态电池基础知识——电解质和电极 228
7.3 快充锂电池 247
7.4 后锂电时代展望 248
7.5 氧化还原液流电池 250
7.6 高温液态金属电池 253
7.7 室温液态金属电池 255
7.8 微型锂电池 256
7.9 太阳能充电锌离子电池 257
7.10 储能和固氮双功能Al-N2电池 258
7.11 有机电池 259
7.12 电池回收 261
7.13 多肽电池 263
7.14 本章关键要点 265
第8章 储能材料（第三部分） 269
8.1 超级电容器 270
8.2 Ragone图 275
8.3 能源屋（powerhouse）：砖瓦式电力储存 278
8.4 本章关键要点 280
第9章 人机交互 282
9.1 第四科学范式 283
9.2 材料基因组计划 284
9.3 纳米材料基因组计划 285
9.4 为什么是新材料 286
9.5 组合材料化学 287
9.6 人工智能引导材料研究中的机器学习基础知识 289
9.7 实验和计算间的反馈 293
9.8 有机-无机界面间的电荷转移 294
9.9 探索和发现——从预测到发现 296
9.10 反向策略探索材料 298
9.11 学习网络中数据抽象的简介 300
9.12 金属有机框架的逆向设计 303
9.13 高熵材料——超级固溶体 307
9.14 人工化学家 311
9.15 合理的固相合成路线 313
9.16 太阳追踪器的机器学习 315
9.17 意外的新发现 315
9.18 人工智能和机器学习面临的挑战 316
9.19 人工智能方法的基准测试 317
9.20 揭开新材料探索中人工智能和机器学习方法的神秘面纱 319
9.21 反思：我们正在发展去人类化的化学吗 320
9.22 本章关键要点 322
第10章 致未来 325
10.1 下一步怎么做 326
10.2 引人深思的能源材料 329
10.3 后记 331
附录A 固态合成方法合集 333
附录B 材料测试与表征方法 337
附录C 自学入门—— 固体材料化学 343
附录D 克服术语分歧——固态材料化学与凝聚态物理术语 346
索引 348
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