能源，包括煤炭、石油、天然氣等不可再生的化石能源，以及核能(核裂變和核聚變)、太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能和氫能等新能源和可再生能源，是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，是國民經濟的重要引擎，為經濟增長和人類文明發(fā)展提供原始動力。目前我國已成為世界最大的能源生產國和能源消費國。煤炭、油氣、電力、新能源和能源裝備產業(yè)全面繁榮，多個領域在規(guī)模和技術上都領先全球。在人類活動中，能源活動是溫室氣體排放的最主要貢獻來源，近年來全球氣候變化引發(fā)了一系列的極端天氣事件（如高溫熱浪、暴雨洪水、干旱等），直接影響到人們的生產生活和生命安全，能源轉型已成為減緩全球氣候變化的首要議題。
自《巴黎協定》簽署以來，碳中和逐漸成為全球各主要經濟體的重要目標。主席在2020年9月聯合國大會宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。碳中和作為全球主要經濟體應對氣候變化的重要戰(zhàn)略目標，其核心是實現能源系統(tǒng)轉型。當今世界，百年未有之大變局加速演進，新一輪科技革命和產業(yè)變革深入發(fā)展，新能源和信息技術緊密融合，能源轉型正如火如荼地快速推進，生產生活方式加快轉向低碳化、智能化，能源體系和發(fā)展模式正在進入非化石能源主導的嶄新階段。能效技術、可再生能源電力、電動汽車、氫能汽車、氫冶金等技術的發(fā)展與推廣為能源轉型提供了技術選項，電力生產的零碳化和終端用能的電氣化將是全球應對氣候變化的首要切入點。
可再生能源（特別是非水可再生能源）發(fā)電技術不同于化石能源發(fā)電技術，前者的供應表現出高度的波動性與不確定性，而后者則可以實現穩(wěn)定供應和靈活調節(jié)。新型電力系統(tǒng)需實現電能的大規(guī)模存儲，儲能 技術將在供給側保障可再生能源提供可控、穩(wěn)定輸出的綠色電力，在電網側大幅提升電力系統(tǒng)在多時間尺度下的靈活調節(jié)能力，在需求側則賦能用戶的需求彈性。儲能行業(yè)是高科技戰(zhàn)略產業(yè)，是國家構建新型電力系統(tǒng)、達成雙碳戰(zhàn)略目標的重要技術保障。發(fā)展新質生產力是實現我國能源綠色低碳轉型、保障能源安全的關鍵路徑，為發(fā)展新質生產力、推動高質量發(fā)展培養(yǎng)急需人才，辦公廳、國家發(fā)展改革委辦公廳、國家能源局綜合司聯合發(fā)布了《關于實施儲能技術國家急需高層次人才培養(yǎng)專項的通知》，以增強產業(yè)關鍵核心技術攻關和自主創(chuàng)新能力，推動儲能高科技戰(zhàn)略產業(yè)向高質量發(fā)展。
為此，在吸收能源化學的新進展和科研成果的基礎上，此次再版，增補、修訂和完善了有關內容。例如， 在第1章，針對碳達峰碳中和目標和黨的二十大報告，刪除原1.5.3 中國的能源環(huán)境內容，重新編寫。針對實現中國式現代化目標，修改1.7.4 結構變化趨勢及1.8.3 中國提高能源供應能力的措施內容。第2章，針對煤炭在我國能源安全的壓艙石作用，以及潔凈煤技術面向2035年的發(fā)展戰(zhàn)略目標，增加減碳方式及CO2轉化等內容。第5章，增加自主開發(fā)的華龍一號和CAP1400先進壓水堆（國和一號）等內容。第6章，增加鈣鈦礦太陽能電池等內容。針對儲能行業(yè)作為高科技戰(zhàn)略產業(yè)，第11章增加非補燃壓縮空氣儲能、超級電容器儲能、固態(tài)聚合物電解質、鈉離子電池、儲能系統(tǒng)的消防管理等內容。第12章，增加耦合CCUS制氫液氨儲氫甲醇儲氫氫儲能等內容。以更好地適應時代和科技的發(fā)展，助力高層次人才培養(yǎng)和行業(yè)發(fā)展。
黨的二十大報告明確提出，要全面建成社會主義現代化強國、實現第二個百年奮斗目標，以中國式現代化全面推進中華民族偉大復興。自然資源、環(huán)境等越來越成為約束經濟社會發(fā)展的內在因素，加快構建現代能源體系，深入貫徹落實四個革命、一個合作能源安全新戰(zhàn)略，力爭如期實現碳達峰、碳中和，是推動實現經濟社會高質量發(fā)展的重要支撐，也是實現中國式現代化綠色發(fā)展的內在要求和必須承擔的國際義務。能源化學作為新興交叉學科領域，其高速、健康發(fā)展將對推動能源產業(yè)結構升級，國家能源安全、國民經濟和人民生活水平提高產生重要的積極影響，也對培養(yǎng)支撐能源化學領域核心技術突破和產業(yè)發(fā)展高層次緊缺人才，提升能源化學領域自主創(chuàng)新能力和戰(zhàn)略核心科技作出更大貢獻。
本書自2004年面世以來，得到很多同行及讀者的關心與支持，已被一些高校與研究所選為學生的教材或主要參考書，許多讀者對再版提出了不少寶貴意見，我們在2014年進行了修訂再版，此次為第三版。在再版修訂過程中，許多讀者和化學工業(yè)出版社的編輯提出了很多寶貴的意見和建議，在此向他們表示最真摯的謝意和衷心的感謝。
本書雖經努力修訂，但仍難免有不當之處，敬請廣大讀者繼續(xù)批評指正。

編著者
2024年8月于天津

第1版前言
能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，是人類從事各種經濟活動的原動力，也是人類社會經濟發(fā)展水平的重要標志。能源、材料與信息被稱為現代社會繁榮和發(fā)展的三大支柱，已成為人類文明進步的先決條件。從人類利用能源的歷史中可以清楚地看到，每一種能源的發(fā)現和利用都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。能源科學技術的每一次重大突破也都帶來世界性的產業(yè)革命和經濟飛躍，從而極大地推動著社會的進步。國家的經濟發(fā)展中能源先行，而能源供應水平(包含能源的人均占有量、能源構成、能源使用率和能源對環(huán)境的影響因素等)也標志著一個國家的發(fā)達程度。
能源的分類方法有很多種，按其形成方式不同可分為一次能源和二次能源，按其可否再生可分為可再生能源和非再生能源，按其使用成熟程度不同可分為新能源和常規(guī)能源，按其使用性質不同可分為含能體能源和過程性能源，按其是否作為商品流通可分為商品能源和非商品能源，按其是否清潔可分為清潔(綠色)能源和非清潔能源。以可再生能源和非再生能源為例，前者包括太陽能、生物質能、水能、氫能、風能、地熱能、海洋能等，而后者包括煤炭、石油、天然氣等化石能源。
化學作為一門中心科學與化學工業(yè)作為一門關鍵技術已在20世紀為人類的科學發(fā)展和社會進步做出了重大貢獻。能源化學作為化學的一門重要分支學科，是利用化學與化工的理論與技術來解決能量轉換、能量儲存及能量傳輸問題，以更好地為人類生活服務。物質不滅，能量永恒。但物質可以從一種形式轉化為另一種形式，而能量也可以從一種能量轉化為另一種能量。在這些轉化、轉換過程中，能源化學因其化學反應直接或通過化學制備材料技術間接實現能量的轉換與儲存。
化學變化都伴隨著能量的變化，而能源的使用實質就是能量形式的轉化過程。能量轉化包括同種能量轉化和不同種能量轉化，又包括能量的直接轉化和間接轉化。化學反應是能量轉化的重要技術。能量的化學轉化主要利用熱化學反應、光化學反應、電化學反應和生物化學反應等。例如，化學電源中的燃料電池是一種避開卡諾循環(huán)的發(fā)電裝置，可通過電化學反應將化學能直接、高效、清潔地轉化為電能，因而燃料電池被認為是今后首選的潔凈高效發(fā)電技術。
中國現代能源工業(yè)的出現至今雖已有百年的歷史，但是在鴉片戰(zhàn)爭之后，舊中國在相當長的時期內一直處于半封建半殖民地的社會狀態(tài)，工業(yè)化進程非常緩慢，經濟和社會發(fā)展水平低下，商品能源的開發(fā)利用水平也很低。
新中國成立以來，中國能源工業(yè)在許多領域已接近或趕上世界先進水平。中國自然資源總量排世界第七位，能源資源總量居世界第三位，水力的可開發(fā)裝機容量居世界首位。新能源與可再生能源資源豐富，而太陽能、生物質能、海洋能等儲量更是屬于世界領先地位。目前中國能源工業(yè)已經形成了以煤炭為主、多能互補的能源生產體系。中國的一次能源消費已排在世界第二位。但因我國人口眾多，能源資源相對匱乏，且分布極不均衡，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半，石油僅為1/10。因此，為保持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，一方面要充分利用已有的能源供應體系，另一方面又要積極開發(fā)新能源與可再生能源。
能源的高效、清潔利用將是21世紀化學科學與工程的前沿性課題，這也正是能源化學面臨的光榮而又艱巨的任務。
化石能源要高效與清潔生產，材料需不斷改進；核能要得到不斷發(fā)展，材料是關鍵之一；可再生能源(特別是太陽能、氫能、生物質能)的利用雖然誘人，材料是瓶頸。能源生產與節(jié)能的先進技術無一不建立在新材料不斷發(fā)展的基礎之上。新能源的發(fā)展一方面靠利用新的原理(如核聚變反應、光伏效應、酶催化等)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面還必須靠新材料的開發(fā)與應用，才能使新的系統(tǒng)得以實現，并進一步提高效率，降低成本。因此，新能源材料已成為材料、化學、物理、生物、能源、環(huán)境等諸多學科相互交叉滲透的熱點研究領域。新能源材料的最大特點是在提供能量的高效轉化與儲存時實現清潔生產，即充分利用參與反應的原料原子實現零排放，以獲得最佳原子經濟性，因而新能源材料對解決能源危機及其所造成的環(huán)境污染起著關鍵作用。而新能源材料的組成與結構、合成與加工、性質與現象、使用性能等都是以能源化學為基礎出發(fā)點。因此，能源化學不論是在常規(guī)能源的綜合利用還是在新能源的研究開發(fā)中均擔當重任。
應該指出，我國廣大的科技工作者在能源化學領域開展了比較深入、系統(tǒng)的研究，并取得了許多新成果，從而為國家發(fā)展及科技進步做出了重要貢獻。為適應未來能源發(fā)展的需求，很有必要對現有的能源知識進行總結。作者在總結國內外最新能源科學研究成果的基礎上，結合自己的科研成果與積累，探索性地編寫了這本《能源化學》。本書包含10章，分別介紹能源、煤炭、石油、天然氣、太陽能、氫能、核能、生物質能、地熱能及燃料電池。本書較全面地反映了國內外能源及能源化學領域的基本概念、基本理論等基本知識，概括了其研究、開發(fā)、應用及前景。希望本書有助于讀者較好地了解能源化學所起的關鍵作用及進行新能源開發(fā)的必要性。
作者對南京大學化學化工學院陳洪淵院士之推薦及化學工業(yè)出版社之約深表感謝，對課題組李鎖龍、徐麗娜等同志在資料整理及編寫過程中的大力幫助也要說謝謝，同時對、國家自然科學基金委員會、南開大學給予的支持深表謝意，最后對給予本書以啟示及參考的有關文獻作者及多功能化信息網絡予以致謝。
科技發(fā)展日新月異，文獻浩如煙海，難以全面收集與一一注明，再由于編著者水平有限，書中難免有疏漏與不妥之處，敬請專家與讀者予以批評指正。

編著者
2004年1月于天津

第2版前言
《能源化學》（第1版）于2004年3月出版至今已經十年了，在這期間能源化學作為重要科技，與清潔能源、節(jié)能環(huán)保、新興產業(yè)等緊密融合，在推動科技進步，改善產業(yè)結構，促進經濟發(fā)展，提高人民生活質量和滿足社會重大需求方面都擔當重任，能源化學也因此得到發(fā)展并不斷充實和提高。
能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，包括煤炭、石油、天然氣等不可再生的化石能源，以及核能（核裂變和核聚變）、太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能和氫能等新能源和可再生能源。限于篇幅，已經成稿的風能和海洋能部分未在第1版收錄。隨著我國能源結構的調整，這一部分所占比重有增加的趨勢。
在2009年底哥本哈根世界氣候大會前夕，我國提出到2020年單位GDP二氧化碳排放量將比2005年下降40%~45%，通過大力發(fā)展可再生能源、積極推進核電建設等行動，爭取到2020年非化石能源占一次性能源消費比重達到15%左右等自主減排行動目標，這是我國統(tǒng)籌國內可持續(xù)發(fā)展和應對氣候變化所作的戰(zhàn)略選擇。要實現這兩個剛性指標，一是從總量上合理控制能源消費，提高能源效率，促進節(jié)能；二是改善能源結構，大力發(fā)展新能源和可再生能源，促進GDP能源強度和CO2強度較大幅度的下降，努力建設以低碳排放為特征的產業(yè)體系和消費方式，實現綠色、低碳發(fā)展。
為此，在吸收能源化學的新進展和科研成果的基礎上，此次再版，增補、修訂和完善了有關內容。例如，考慮到大力發(fā)展的風能、太陽能等可再生能源在未來能源中的重要地位，以及實施海洋戰(zhàn)略、建設海洋強國的發(fā)展戰(zhàn)略，特地新增了風能（第7章）、海洋能（第10章）；針對可再生能源發(fā)展面臨電力品質差和并網難、建設堅強智能電網和微電網等電網新技術的瓶頸問題，新增儲能技術（第11章）。同時，對于低碳技術的研究和應用，在其他章節(jié)的研究內容也做了相關修改補充，如在第1章的能源與經濟、碳排放與減排，第2章的潔凈煤技術、CO2的捕集與封存技術，第3章的能源安全，第4章的非常規(guī)天然氣、頁巖氣，第5章的核燃料循環(huán)等都是新增的內容；原來的第6章氫能與第10章燃料電池合并為現在的第12章氫能與燃料電池。這樣全書共12章，對人類社會所使用的能源及對通過化學反應、化工制備材料技術直接或間接地實現能量轉換與儲存的能源化學進行較為全面系統(tǒng)的介紹。
本書自2004年面世以來，得到很多同行及讀者的關心與支持，已被一些高校與研究所選為學生的教材或主要參考書，許多讀者對再版提出了不少寶貴意見；在再版修訂過程中，化學工業(yè)出版社的編輯提出了寶貴的意見和建議，在此向他們表示最真摯的謝意。
本書雖經努力修訂，但仍難免有不當之處，敬請廣大讀者批評指正。

陳軍
2014年2月于南開大學
天津化學化工協同創(chuàng)新中心