Research on two-dimensional (2D) materials has been explosively increasing in last seventeen years in varying subjects including condensed matter physics, electronic engineering, materials science, and chemistry since the mechanical exfoliation of graphene in 2004. Starting from graphene, 2D materials now have become a big family with numerous members and diverse categories. The unique structural features and physicochemical properties of 2D materials make them one class of the most appealing candidates for a wide range of potential applications. In particular, we have seen some major breakthroughs made in the field of 2D materials in last five years not only in developing novel synthetic methods and exploring new structures/properties but also in identifying innovative applications and pushing forward commercialisation. In this review, we provide a critical summary on the recent progress made in the field of 2D materials with a particular focus on last five years. After a brief background introduction, we first discuss the major synthetic methods for 2D materials, including the mechanical exfoliation, liquid exfoliation, vapor phase deposition, and wet-chemical synthesis as well as phase engineering of 2D materials belonging to the field of phase engineering of nanomaterials (PEN). We then introduce the superconducting/optical/magnetic properties and chirality of 2D materials along with newly emerging magic angle 2D superlattices. Following that, the promising applications of 2D materials in electronics, optoelectronics, catalysis, energy storage, solar cells, biomedicine, sensors, environments, etc. are described sequentially. Thereafter, we present the theoretic calculations and simulations of 2D materials. Finally, after concluding the current progress, we provide some personal discussions on the existing challenges and future outlooks in this rapidly developing field.

固态锂电池由于其安全特性与良好的电化学性能而备受关注。但电极内锂离子传导通道不顺畅及电极-电解质界面接触阻抗大以及界面发生副反应等问题仍然阻碍着固态电池的实际应用。本工作在电极内部及电极与Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃ (LAGP)电解质之间原位聚合碳酸亚乙烯酯固态聚合物电解质(PVC-SPE)，构建了正极内部的离子传导网络，改善了电解质-电极界面的接触，而且还有效阻止了锂负极与LAGP电解质之间的副反应。Li | LAGP | LiFePO₄固态电池具有良好的循环性能和倍率充放电性能，0.2C循环200次仍有98%的容量保持率，3C倍率放电容量是0.2C容量的72.4%。这种原位聚合制备高性能固态电池有希望成为解决界面问题与构建电极内离子传导网络的方法。

半透明有机太阳能电池以其独特的光电特性在建筑集成光伏上具有广阔的应用前景。非富勒烯小分子受体近几年发展十分迅速。其中，基于非富勒烯小分子受体的半透明有机太阳能电池具有较高的光电转换效率和平均可见光透过率，因而得到了广泛关注。本文总结了近几年来非富勒烯受体型半透明有机太阳能电池的最新研究进展，探究活性层材料设计及器件构型优化对半透明有机太阳能电池的影响，希望为半透明有机太阳能电池在今后研究中新材料体系的优选提供一定的参考。

随着人们对电子通讯器件、新能源汽车以及电网级储能技术的需求日益增长，开发安全、高效且兼具环保、低成本等优点的二次电池显得至关重要。近年来，水系锌离子电池因其高安全性、高容量、低成本以及环境友好等优点受到了广泛关注。在与锌负极相匹配的众多正极材料中，具有多电子转移特性的钒基和锰基材料表现出了广阔的应用前景。然而这些正极材料在电池循环过程通常面临着结构坍塌、组分溶解、衍生副反应、反应动力学缓慢等问题，严重制约了其商业化进程。近年来，大量研究表明，客体离子或分子预嵌正极宿主结构可以有效缓解上述问题，提升水系锌离子电池正极材料的电化学性能。本文综述了客体预嵌策略应用于水系锌离子电池钒、锰基正极材料的研究进展，对该策略所解决的问题以及其局限性进行了讨论和总结，并对未来水系锌离子电池钒基和锰基正极材料的研究发展方向进行了展望。

升高温度可以提高反应速率和增加物质的输运，因此通过不同温度下反应机理的研究可以深入理解电催化过程，对催化剂的设计具有指导意义。本工作初步建立了变温原位红外测定方法。采用温控电极，用电势测温法进行温度的校准，实验得出控温仪器加热温度T_h与电极表面温度T_S的关系为T_S = 0.57T_h + 7.71 (30 ℃ < T_h≤ 50 ℃)；T_S = 0.62T_h + 5.12 (50 ℃ < T_h ≤ 80 ℃)，误差分析最大温差为1 ℃。利用该方法我们研究了商业Pt/C催化剂在不同温度下乙醇的电氧化过程。从循环伏安图可以明显看到随着温度的升高整体氧化电流增大，起始电位、峰电位均负移，说明热活化使得氧化反应更容易进行；第一个峰电流与第二个峰电流的比值用于定性评估CO₂的选择性，对比25 ℃，商业Pt/C催化剂在65 ℃下第一峰提高30%，说明高温有利于C―C键的断裂。对比25 ℃的原位红外谱图，我们发现35 ℃及50 ℃下商业Pt/C催化剂上CO₂产物的起始电位负移200 mV，说明高温下，Pt/C催化剂能在更低的电位提供含氧物种；而CH₃CHO、CH₃COOH起始电位不随温度变化。用CO₂与CH₃COOH的积分面积比来评估CO₂选择性，发现高温低电位其选择性最高，说明高温低电位有利于乙醇完全氧化生成CO₂，而高温高电位下表面吸附含氧物种占据了活性位，阻碍C―C键断裂。

探索位错等缺陷对于铁电材料畴结构、铁电性、电导率等其他物理属性的影响对于研究铁电薄膜材料的铁电及压电机理有着至关重要的作用，关于界面位错对铁电薄膜材料物理性质产生影响的现有研究结果也还存在争议，有待深入探究。本文采用球差矫正透射电镜(STEM)以及电子能量损失谱(EELS)研究了(010)晶面PbTiO₃/SrTiO₃异质界面上的周期性失配位错的原子结构及电荷分布。分析结果发现在a[001]位错核区域及其附近，可能存在着电子富集的现象，该现象可能会提高位错线上的电子电导率，该结果对于探究位错对铁电异质结体系物理性质的影响具有意义。

有机太阳能电池(OSC)经过长期的发展，其能量转换效率(PCE)已快速推进至14%–16%，基本接近可商业化应用的范围，但在目前所见报道的高效率OSC器件的制备过程中，活性层薄膜的加工大多采用氯苯、二氯苯、氯仿等毒性较高的含卤/芳香性试剂，此类试剂对环境及人类健康的危害非常高。在本工作中，我们基于已报道的高效率给体共轭聚合物PBDB-T，通过扩大共轭侧链结构与增长柔性烷基侧链的方式，合成了新型给体聚合物PBDB-DT。PBDB-DT中较长的柔性烷基侧链保证了其在低毒性溶剂四氢呋喃(THF)溶液中良好的溶解度，同时，扩大的共轭侧链也有效增强了其在THF中的溶液聚集作用，这一特性对于在非富勒烯型OSC器件中获得较好的光伏性能尤其重要。当采用非富勒烯小分子IT-M作为电子受体材料时，以THF为主溶剂加工的基于PBDB-DT:IT-M的OSC器件可以获得10.2%的能量转换效率。

金属锂由于其极高的理论比容量(3860 mAh∙g^-1，2061 mAh∙cm^-3)和低的还原电势(相对于标准氢电极(SHE)为−3.04 V)等特点，成为了高能量密度锂电池负极材料的极佳选择之一。从上个世纪七十年代开始，科研工作者便开始了金属锂负极的研究，然而，由于金属锂与电解液反应严重，镀锂过程体积膨胀大，且在循环中易生成枝晶，以金属锂为负极的电池循环稳定性差，而且容易短路从而带来安全隐患。因此金属锂做为锂电池负极的商业化推广最终没有成功。在本工作中，我们在前期设计的锂-碳纳米管复合微球(Li-CNT)中引入了纳米硅颗粒制备了硅颗粒担载的锂-碳复合球(Li-CNT-Si)。实验发现，纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10% (质量百分含量)的硅添加量使得比容量从2000 mAh∙g^-1提高到2600 mAh∙g^-1)，降低了锂的沉积/溶解过电势，有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积，大大提高了材料的循环稳定性。同时，担载了纳米硅颗粒的锂-碳复合球也继承了锂-碳复合微球循环过程中体积膨胀小，不长枝晶的优点。而且添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙，减少了电解液渗入复合微球内部腐蚀里面的金属锂，进一步提高了材料的库仑效率。以添加10%硅的锂碳复合材料作为负极，与商用磷酸铁锂正极组成全电池，在常规酯类电解液中1C (0.7 mA∙cm^-2)条件下能稳定循环900圈以上，库仑效率为96.7%，大大高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库仑效率。因此，这种通过简单的熔融浸渍法即可制备的，具有高的比容量和长的循环稳定性的锂硅-碳复合材料具有较大的潜能成为高能量密度电池的负极材料，尤其适用于锂硫、锂氧这种正极不含锂源的电池体系。

有机场效应晶体管在柔性传感和显示驱动应用中展示出极大的潜力，但在大面积制备高性能有机薄膜及有机场效应晶体管方面仍面临大的挑战。本文介绍了一种利用等离子处理和马兰戈尼-咖啡环效应协同作用来图案化生长有机半导体薄膜的方法。经过对等离子体处理时间、混合溶剂的比例及溶液浓度等生长条件优化，在5 cm × 5 cm的基片上得到了覆盖性较为完整的2, 7-二辛基[1]苯并噻吩并[3, 2-b]苯并噻吩(C8-BTBT)薄膜阵列。基于此薄膜构筑了底栅顶接触晶体管阵列，器件的平均迁移率达到7.9 cm²·V^-1·s^-1，阈值电压均小于-2 V,开关电流比大于10⁴。本工作对未来大面积制备高性能有机半导体薄膜及晶体管具有一定的借鉴意义。

本文设计了两个系列的硼改性ZSM-5分子筛：一步法合成的B-Al-ZSM-5系列分子筛和两步法合成的Al-ZSM-5@B-ZSM-5核壳分子筛。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜面扫(STEM mapping)、N₂物理吸附脱附、氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)、1, 3, 5-三异丙基苯(TIPB)裂解等表征发现，两个系列的样品中B1-Al-ZSM-5和Al@B1-ZSM-5，B2-Al-ZSM-5和Al@B2-ZSM-5以及B3-Al-ZSM-5和Al@B3-ZSM-5分别具有相似的织构性质、强弱酸量、酸强度和比例，以及不同的B、Al元素分布和酸分布。我们用这两个系列样品对比研究不同的强弱酸分布-强弱酸均匀分布和梯度分布对甲醇制丙烯(MTP)反应性能的影响。通过研究发现，强弱酸均匀分布的样品具有更高的丙烯选择性，归因于更低的整体强弱酸密度;而强弱酸梯度分布的样品具有更长的MTP反应寿命，归因于外表面上更低的强酸密度和更高的弱酸密度。

二维材料的超薄原子层结构使其具有独特的力学性能、导热导电性以及巨大的比表面积，在能源存储、催化、传感和生物医学等领域引起了国内外学者的广泛关注。将二维材料与具有生物活性的生物大分子相结合可以为开发具有优异电学、力学和生物学功能的特种功能材料提供新的方法和途径。近年来，科研工作者针对这一方向展开了广泛的研究，取得了一系列重要的成果，使二维材料与生物大分子的结合与应用成为了新的研究热点。本文综述了近年来二维材料和生物大分子之间的相互作用及应用的研究进展，重点介绍了二维材料与生物大分子在分子水平上的相互作用机理，还总结了基于二维材料与生物大分子之间的相互作用在工程、疾病治疗和抗菌中的应用，并对其未来的研究趋势提出了展望。

通过化学气相沉积方法，可控合成所需层数的二硫化钼仍然是一个挑战。因此，建立一个能够定量预测单层和多层二硫化钼生长的理论模型，并为实验制备提供指导，是十分必要的。在本文中，我们建立了一个动力学蒙特卡罗模型，来预测单层和双层二硫化钼的化学气相沉积生长。首先，我们提出了第一层和第二层的生长速率受吸附原子浓度分布的控制，以及紧凑三角形二硫化钼的生长过程为扭结成核和传播。其中，原子浓度是由吸附原子流量，吸附原子的有效寿命，生长温度，边的单位长度能量，单层和双层的单位面积结合能，成核准则决定的。扭结成核和传播是由锯齿边和扶手边附加原子所需的能量势垒决定的。然后，我们采用热力学理论准则对这些参数进行了标定。通过标定的动力学蒙特卡罗模型，我们发现第二层的生长速率与第一层的尺寸有很强的依赖性。随着第一层尺寸增加，第二层的生长速率呈单调递减趋势，甚至在第一层达到某个尺寸时，第二层的生长会被抑制。此外，我们还分析了不同生长温度和吸附原子流量下，双层二硫化钼的尺寸和形貌演化。在双层二硫化钼的整个生长过程中，第一层和第二层的形貌保持紧凑三角形，验证了扭结成核和传播模型的正确性。模拟结果表明，生长温度的升高或吸附原子流量的降低，促进了双层二硫化钼的生长，这与已报导的实验结果相吻合。生长温度升高使得第二层二硫化钼边缘的吸附原子浓度，随着远离第二层边缘的吸附原子浓度降低而相应降低，促进了双层二硫化钼的生长。同样，吸附原子流量降低减小了基体上的吸附原子浓度，降低了第一层远离边缘和靠近边缘的吸附原子浓度差，从而减缓了第一层的生长。第一层的生长减慢，减缓了第二层远离边缘和靠近边缘的吸附原子浓度差减小到零，从而促进双层二硫化钼的生长。为了更好地指导实验，我们进一步构建了双层二硫化钼生长的相图，可通过控制生长温度和吸附原子流量来实现或阻止双层二硫化钼的生长。因此，本工作不仅揭示了单层和双层二硫化钼生长所需的实验条件，而且为可控合成所需层数的二硫化钼提供了详细指导。

分子电子学是研究单分子器件的构筑、性质以及功能调控的一门新兴学科。其中，金属/分子/金属结的构筑和表征是现阶段分子电子学的主要研究内容。裂结技术是当前分子电子学研究的主要实验方法，主要包括机械可控裂结技术和扫描隧道显微镜裂结技术。本文对裂结技术进行了介绍，并对近年来利用这些技术，在单分子尺度化学反应的检测和动力学研究，以及将这些技术与溶液环境、静电场、电化学门控等方法相结合，调控单分子器件的电输运性质等方面所取得的进展进行了概述。

锂硒电池因其高体积比容量(3253 mAh·cm^-3)，以及硒的高电导率(1 × 10^-3 S·m^-1)等显著优点，在体积受限的储能系统中具有潜在的应用价值。引起了国内外研究学者的广泛关注。但是，目前锂硒电池的性能还不理想，仍然存在许多科学问题亟待解决，包括多硒化锂的穿梭效应，电解液的适配性，充放电过程中电极体积变化等。近年来，研究工作者针对这些关键科学问题开展了许多研究和探索，锂硒电池已成为储能领域的一个新的研究热点。本文综述了锂硒电池的研究现状，着重介绍了硒-碳复合正极材料的研究进展，论述了锂硒电池的优势及存在的问题，系统分析了硒基正极材料结构和性能之间的关系，总结了锂硒电池的反应机理及其与电解液的相关性，最后展望了锂硒电池的未来发展方向。

表面活性剂与有机小分子作用不仅能提高表面活性剂的聚集能力，还能提高小分子的溶解度、稳定性等应用性能，因此研究二者之间的相互作用机理对于促进表面活性剂的发展和实际应用具有重要意义。本工作提出了一种利用功能有机小分子调控表面活性剂聚集行为，进而提高不稳定小分子自身稳定性的新策略。利用表面张力、紫外可见吸收光谱、荧光光谱、动态光散射、等温滴定量热和核磁共振技术研究了在pH为7.0时，叶酸分别与十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、季铵盐Gemini 12-6-12和季铵盐线性三聚12-3-12-3-12四种表面活性剂之间的相互作用及其导致的叶酸光氧化降解性能的变化，结果表明，阴离子表面活性剂SDS抑制叶酸光氧化降解的效率较低，而阳离子表面活性剂都能够显著抑制叶酸的光氧化降解，且随着表面活性剂寡聚度的增加，抑制效果增强，所需表面活性剂的浓度显著降低，寡聚表面活性剂12-3-12-3-12的抑制效率高达96%。

使用电解液成膜添加剂是一种简单高效的提高电池循环稳定性的方法。氟代碳酸乙烯酯(FEC)的最低未被占据分子轨道(LUMO)能量较低，易被还原，通常被认为是很好的负极成膜添加剂，但因其最高占据分子轨道(HOMO)能量也较低，抗氧化性较好，故其被认为不在正极上发生作用。本工作结合电化学，形貌分析，化学成分表征，原位结构分析等方法研究了FEC添加剂在钠离子电池中的作用。我们发现适量的FEC添加剂不仅可以显著抑制电解液溶剂碳酸丙烯酯(PC)的分解，而且会在正极上形成一层富NaF的保护层，提高循环过程中正极晶格结构稳定性，从而提高电池的循环稳定性。密度泛函理论(DFT)计算表明，FEC之所以能在正极上形成保护层，可能与其容易在正极界面与钠盐阴离子ClO₄^-结合反应有关。

硼烯是由硼原子构成的单原子层厚的二维材料，具有丰富的化学和物理性质。本文集中介绍近年来硼烯在合成方面的理论与实验研究进展，重点分析基底、生长温度、生长前驱物等因素对硼成核选择性的影响，探讨能够促进硼烯成核的潜在方法。进一步将分析硼烯生长机制及理论研究方法，以此展望通过在基底上化学气相沉积合成硼烯的可能途径。本文旨在促进大面积、高质量硼烯样品的制备以推动硼烯的实际应用。

纳米碳点是碳纳米材料家族的新成员，近年来在国内外受到广泛关注。与传统的荧光染料和半导体量子点发光材料相比，碳点不仅具有优异的光学性能及尺寸效应，且具有制备成本低廉、生物相容性好、易于官能化、能带结构可调等优势。本文在理清有关碳点概念的基础之上，介绍了碳点结构特征和制备策略，着重综述了纳米碳点在生物成像与诊疗、传感器件、催化、光电器件和能量存储领域的最新研究进展，探讨了碳点研究目前存在的问题及未来的发展方向。

以四氧化三钴Co₃O₄纳米棒为研究对象，我们利用液体环境透射电子显微镜，原位观察了四氧化三钴纳米棒在水中的自组装过程。研究发现在电子束辐照的水环境下，四氧化三钴纳米棒的晶面存在互补式自组装现象。随着纳米棒之间的距离越来越近，纳米棒之间的相对运动速率逐渐增加，纳米棒之间的相互作用力逐渐增加。通过进一步分析纳米棒的形貌发现，纳米棒的暴露晶面大多数为{100}、{110}以及{111}晶面，而Co₃O₄属于极性氧化物，这些晶面往往会带有一定的电荷。在液体环境下，正是由于这些易暴露面都带有不同大小的电荷，在晶面电荷的驱动下，电荷属性相反的四氧化三钴纳米棒会互相吸引，形貌结构上进行互补，实现快速驱动的纳米棒之间自组装。

电化学阻抗谱技术(EIS)在固体氧化物燃料电池(SOFC)中已获得广泛应用。在EIS分析过程中，研究者能够清楚地获得燃料电池内部因纯离子(电子)导电引起的欧姆电阻和因电化学过程、扩散作用引起的极化阻抗的大小，但是对于极化阻抗的构成缺乏进一步解析。本文选用传统的Ni-YSZ阳极支撑电池，通过改变测试温度、阳极运行气氛和阴极运行气氛，设计了一套完整的阻抗差异分析(ADIS)实验。并基于弛豫时间分布法(DRT)和阻抗差异分析法，系统地分析并解释了阻抗谱中各频率段对应阻抗的物理或(电)化学含义，将该类型电池阻抗谱以6个RQ并联电路予以拟合，为之后燃料电池性能稳定性的研究奠定基础。

非富勒烯电子受体由于其吸收强，能级可调，稳定性好等优点，近年来受到研究者的广泛关注，并且光电转换效率已突破14%。在本研究中，我们设计并合成了一种结构简单，易于合成的非稠环结构的非富勒烯电子受体ICTP。通过合理的结构设计，利用分子内的非共价作用力，实现了高的空间平面性。其在长波长区域宽且强的吸收和合适的能级水平，使得ICTP适合与许多聚合物给体材料搭配，制备太阳能电池。基于PBDB-T:ICTP的聚合物太阳能电池取得了4.43%的光电转换效率和0.97 V的开路电压。

近年来，非富勒烯太阳能电池的发展迅猛。目前报道的高效率的非富勒烯稠环电子受体主要采用受体-给体-受体(A-D-A)型结构。本工作中，我们在给受体间引入3, 4-二己氧基噻吩作桥，用5, 6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮作端基设计合成了一种新的稠环电子受体(ITOIC-2Cl)。一方面，可以通过S···O和O···H等作用在分子内形成非共价键构象锁促进分子的平面性；另一方面，通过增加端基的缺电子性可以增强分子内的电荷迁移。在两者的协同作用下，ITOIC-2Cl的光谱吸收拓宽到近红外区，这有利于获得宽的光谱响应。将ITOIC-2Cl与一种吸收互补的给体聚合物(PBDB-T)共混制备活性层，我们用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征其形貌，发现共混薄膜可以形成纤维状的互传网络结构和合适纳米尺寸的相分离，这有利于电荷的分离和传输，从而获得高的短路电流(J_sc)和填充因子(FF)。最终，基于PBDB-T:ITOIC的电池，我们获得了9.37%的光电转换效率，其开路电压(V_oc)为0.886 V，J_sc为17.09 mA·cm⁻²，FF为61.8%。这些研究结果为我们提供了一种设计高效率的非富勒烯稠环电子受体的有效的策略。

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上，HOMO定域在中心核上，其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726 nm)，因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比，噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV，LUMO能级保持不变，进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20 nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池，实现了4.21%的能量转化效率和300–850 nm的宽响应光谱。实验结果表明，硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法，可以用于有机硼小分子受体材料的设计。

我们用宽带隙聚合物FTAZ (苯并二噻吩-二氟苯并氮三唑共聚物)作为给体，窄带隙稠环电子受体FOIC (六噻吩稠环-氟代腈基茚酮类化合物)作为受体，中带隙稠环电子受体IDT-IC (引达醒-腈基茚酮类化合物)和IDT-NC (引达醒-腈基苯并茚酮类化合物)分别作为第三组分，制备了三元共混有机太阳能电池，研究了第三组分端基对器件性能的影响。IDT-IC和IDT-NC具有相似的化学结构，仅端基不同；IDT-IC端基是苯环，而IDT-NC端基是萘环。与IDT-IC相比，IDT-NC吸收光谱红移40 nm，LUMO能级下移0.11 eV，电子迁移率提高50%。基于FTAZ:FOIC，FTAZ:IDT-IC，FTAZ:IDT-NC二元共混体系的有机太阳能电池效率分别为9.73%，7.48%，7.68%。FTAZ:FOIC:IDT-IC和FTAZ:FOIC:IDT-NC三元共混器件的效率分别提升到11.2%和10.4%。对于FTAZ:FOIC:IDT-IC三元共混器件，由于IDT-IC比FOIC具有更高的LUMO能级，开路电压(V_OC)随着IDT-IC含量的增多而增加。由于IDT-IC与FOIC吸收光谱高度互补，短路电流(J_SC)也显著提高。第三组份IDT-IC的加入改善了薄膜形貌和载流子传输，填充因子(FF)有所提高。对于FTAZ:FOIC:IDT-NC三元共混器件，由于IDT-NC比FOIC具有更高的LUMO能级，V_OC随着IDT-NC含量的增多而增加；但由于IDT-NC的LUMO能级比IDT-IC的LUMO能级低，其V_OC比FTAZ:FOIC:IDT-IC体系低。由于FOIC和IDT-NC吸收光谱高度重叠，J_SC降低。第三组份IDT-NC的加入改善了薄膜形貌和载流子传输，FF提高，甚至比FTAZ:FOIC:IDT-IC体系有更好的载流子传输和FF。

近年来，光解水制氢的发展引起了人们的高度关注。CdS是一种具有可见光响应的很有潜力光催化剂，但由于光生电子/空穴对的快速复合和表面上的析氢反应速率低，所以它仅表现出有限的光解水制氢活性。对CdS表面结构和性能的影响的研究仍然非常有限。在本工作中，我们制备了三种具有不同形貌的CdS纳米晶体(长棒状，短棒状和三角片状)用于光解水制氢。随着纵横比的增加，非极性表面暴露面积增大，表面缺陷程度也随之增加，而表面缺陷可以捕获光生电子/空穴，从而降低其复合机会。我们发现氢的生产率可能与表面缺陷的程度有关。另外，这些缺陷可以用来固定Pd粒子形成异质结结构，有利于光生电荷的分离。在1% (w,质量分数) Pd的协助下，所有CdS催化剂的氢气产率都大大提高。值得注意的是，sr-CdS/Pd的制氢产率达到了7884 μmol·h^-1·g^-1，与文献报道的最高值相当。希望本文能够为了解晶体结构和性能对光催化的影响提供认识。

本文介绍了近几年来我们组构建多原子反应体系的高精度拟合势能面的进展。我们基于神经网络(NN)方法，成功构建了多原子气相分子体系和气相分子在金属表面解离的一系列势能面。这些势能面的拟合精度相当高，并且经过了严格的量子动力学测试，能广泛应用到动力学研究中。我们还提出了一种新的置换不变势能面的拟合方法，即基本不变量神经网络方法(FI-NN)。基本不变量的使用极大地减少了神经网络输入层多项式的个数，有效提高了势能面的计算速度。

目前学界对Cu₂Se低温α相的结构仍未认识清楚，而解决这一问题对理解Cu₂Se在相变过程中热电性能提升等特性具有重要意义。本文首次报道了由球差校正扫描透射电镜(STEM)拍摄到的沿α-Cu₂Se $ {{\left[ \bar{1}\bar{1}2 \right]}_{\text{c}}}$ 带轴的原子级分辨率高角环形暗场(HAADF)像，揭示了由Se原子以多种形式有序起伏产生的复杂结构。结合电子衍射图谱，分析了包含不同层数、通过相互组合构成α-Cu₂Se晶体的多种结构变体。使用QSTEM软件对构建的结构变体进行高分辨图像模拟，得到了与实验对应的HAADF像。该工作为更全面地理解α-Cu₂Se的结构提供了新的重要信息。

三维石墨烯(3DG)被广泛研究用于能量存储和转换器件中的导电框架材料。化学气相沉积(CVD)是制备品质三维石墨烯的重要方法，其中选择合适的模板材料对于调控石墨烯形貌和成本至关重要。在此，本文使用牛骨灰这一廉价易得的生物废弃物作为CVD模板，制备了高品质三维石墨烯。这种三维石墨烯表现出“双连续”的微观结构，即石墨烯框架及其空隙均是连续的，因而可以作为导电框架材料用于电化学储能器件。我们将硫均匀负载于三维石墨烯作为高性能锂-硫电池的正极材料，其在高倍率(2C)下具有约550 mAh·g^-1的高比容量。此外，将牛骨灰模板蚀刻后所得溶液可作为原料用于磷酸生产，实现了高的原子利用率。这一工作将石墨烯制备与成熟的磷化工产业结合，发展了一种低成本、高原子经济性地制备三维石墨烯的新途径。

有机太阳能电池(OSCs)活性层中的给体材料主要包括共轭聚合物与有机小分子，由于有机小分子给体具有结构确定、易于提纯、重复性高等独特的优势，近年来受到研究工作者的广泛关注。本工作中，我们采取具有良好共平面性的三联苯并二噻吩(TriBDT-T)为推电子(D)中心共轭单元，分别以罗丹宁(RN)、氰基罗丹宁(RCN)和1, 3-茚二酮(IDO)为拉电子(A)共轭端基，设计并合成了三种具有A-D-A型结构的小分子给体材料TriBDT-T-RN、TriBDT-T-RCN和TriBDT-T-IDO。我们对比研究了三种端基对其热分解温度、吸收光谱和分子能级等基本性能的影响，并分别将三种小分子给体与非富勒烯型受体材料IT-4F共混制备器件，详细研究了活性层形貌与光伏性能之间的关系。结果表明，不同的A型端基对小分子给体材料的光学性能、电化学性能、光伏器件中活性层的微观形貌以及能量转换效率(PCE)产生显著影响。基于TriBDT-T-RN:IT-4F、TriBDT-T-RCN:IT-4F和TriBDT-T-IDO:IT-4F的光伏器件的能量转换效率分别为9.25%、6.31%和6.18%。

势能面交叉引起的非绝热过程广泛存在于光化学和光物理中。对这一过程进行描述是理论化学的重要挑战之一。非绝热过程涉及原子核与电子之间的耦合运动，因此量子化学的基本假设之一“玻恩-奥本海默”近似被打破，所以对其进行描述需要发展新的动力学理论方法。在这些方法中，Tully发展的最少轨线面跳跃方法凭借易于程序化、便于计算等优点已经发展成为处理非绝热问题的主要动力学方法之一。其中原子核以经典的方式在单一势能面上进行演化，电子以量子的方式沿着同一轨线进行演化。在整个演化过程中，非绝热跃迁通过轨线在不同势能面间的跃迁来描述，其中跳跃发生的几率与电子的演化有关。如果将该方法与从头算直接动力学相结合，可以在全原子水平上研究实际分子体系的非绝热动力学，给出其激发态寿命、非绝热动力学中分子的主要运动方式、反应通道以及分支比等重要信息。本文旨在讨论最少面跳跃直接动力学方法研究非绝热问题的一些进展，包括动力学基本理论，特别关注将最少面跳跃方法和直接动力学结合的数值实现细节，同时讨论该方法在研究实际体系当中的一些应用，并对轨线面跳跃方法下一步发展的一些方向进行合理的展望。