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。
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。
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(Jsc)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(Voc)为0.886 V，Jsc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。
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(VOC)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(JSC)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，VOC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VOC比FTAZ:FOIC:IDT-IC体系低。由于FOIC和IDT-NC吸收光谱高度重叠，JSC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。
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。
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。