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。

Cu/ZnO/Al₂O₃是工业中最广泛使用的甲醇合成催化剂。然而该催化反应的活性位点和机理目前仍存争议。H₂作为反应物之一，研究其在ZnO表面的活化和解离对于弄清甲醇合成反应的催化机理具有重要的帮助。本工作利用近常压光电子能谱(APXPS)和扫描隧道显微镜(STM)原位研究了H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的活化和解离。APXPS结果表明：在0.3 mbar (1 mbar = 100 Pa)的H₂气氛中，室温下ZnO表面形成羟基(OH)吸附物种。STM实验发现通入H₂后ZnO表面发生了(1×1)到(2×1)的重构。上述结果和原子H在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的吸附结果一致。然而吸附H₂O可以导致同样的现象。因此，我们还开展了H₂O在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面吸附的对比实验。结果表明：H₂气氛中ZnO表面发生0.3 eV的能带弯曲，而H₂O吸附实验中几乎观察不到能带弯曲发生。同时，热稳定性实验表明H₂气氛中ZnO表面的OH不同于H₂O解离吸附产生的OH，前者具有更高的脱附温度。因此，本工作的结果表明常温和常压下H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面发生解离吸附。这一结果和以往超高真空下未发现H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的解离不同，说明H₂的活化是一个压力依赖过程。

多相催化剂是极为重要的一类催化剂，在许多重要工业反应中扮演关键角色。然而，传统的湿化学合成手段在很多情况下难以做到对催化剂活性位点的结构、组成以及其周围局部环境的原子级精细调控，继而给优化催化剂性能、理解多相催化机理带来较大的挑战。原子层沉积(ALD)是一种气相催化剂合成技术，其原理是基于两种前驱体蒸汽交替进样并在载体表面上发生分子层面上的“自限制”反应，实现目标材料在载体表面上的精准沉积。利用其分子层面上的“自限制”反应特性，并通过改变沉积周期数、次序和种类等方法可以实现对催化剂活性位结构的原子级精细控制，进而为人们提供了一种催化剂“自下而上”精细可控合成的新策略。在本文中，我们总结了利用ALD方法在负载型单金属和双金属催化剂精细设计方面的进展，讨论了ALD方法在设计高效催化剂方面的特点与优势。特别地，我们总结了利用ALD方法制备单原子和双原子结构金属催化剂的方法与策略。此外，我们总结了利用氧化物可控沉积精准调控金属催化活性中心周围的微环境，从而实现提升催化剂活性、选择性和稳定性的方法。最后我们展望了ALD技术在催化剂制备领域中应用的潜力。

碳量子点(CQDs)作为一种新型荧光碳纳米材料，由于其较高的电子迁移率、较长的热电子寿命、极快的电子取出速度，可调的带隙宽度、较强的稳态荧光等独特的光电性质和可溶液加工、成本低廉的特点，使得CQDs在光电器件领域具有广阔的应用前景，近年来受到人们的广泛关注，重要的研究成果不断涌现。本文首先简要介绍了CQDs的合成方法、化学结构及其光电性质，然后总结了CQDs在发光二极管(LEDs)、太阳能电池(SCs)和光电探测器(PDs)等光电器件领域的研究进展，最后对CQDs的发展方向进行了展望。

有机-无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)从2009年低于5%的能量转换效率到现在经过认证的超过22%的效率，成为科研热点和最有希望商业化的新型太阳能电池。在高性能的PSCs中，空穴传输材料是关键的一环，起到从钙钛矿活性层材料到对电极有效抽取和传输空穴的作用。本文在现有研究成果的基础上，对有机分子空穴传输材料在PSC中的应用进行总结，并强调分子材料结构对PSC器件性能(效率和稳定性)的影响。

在分子尺度上构建光驱动的人工分子机器是超分子化学研究的一个热点。偶氮苯是一类具有双稳态的光致开关分子，能够完成高效、可逆的反式(E)$\to $顺式(Z)的光致异构化过程，因而可以作为人工分子机器的功能单元。本文采用密度泛函理论(DFT)和反应分子动力学(RMD)模拟，研究了含偶氮苯封端基团的互锁型超分子体系中冠醚主体与二烷基铵客体间结合强度，模拟了偶氮苯Z$\to $E异构化反应的动态过程，讨论了异构化反应对主客体分子构象的影响。在偶氮苯封端基团通过发生Z$\to $E异构化实现体系单向可控运动时，较强的主-客体间结合能力是保证互锁型超分子体系稳定的必要前提。顺式客体与主体大环氢键相互作用比反式客体更强，因此顺式复合异构体具有比反式异构体更大的结合强度。偶氮苯基团发生E$\to $Z光致异构化引入位阻效应，使得顺式复合物只能从环戊基准封端处进行脱环。主客体复合过程对偶氮苯基团的几何结构没有明显影响。偶氮苯光致异构化发生的速度快于客体脱环的速度是实现单向运动的动力学上的必要条件。在异构化反应后的500 ps内，大环会经历一个明显的结构驰豫过程。冠醚大环主体的柔性构象有助于实现在偶氮苯光致异构化发生过程中主客体间持续稳定的结合。各种超分子体系中，尽管客体组成各不相同，但是包含相似的主客体识别位点的超分子体系具有相似的结合能，显示了机械互锁型复合体系中各种功能性构建单元间主客体相互作用具有正交性。引入双稳态的偶氮苯功能基团对客体其他部分的几何结构影响很小。理论计算结果有助于理性设计更复杂的刺激响应性人工分子机器。

针对铜表面化学反应，我们发展了一套铜-碳体系的密度泛函紧束缚(DFTB)参数。测试结果表明这套参数可以很好的描述吸附铜或碳原子前后铜表面的几何结构和能量。基于这套参数，我们对Cu(111)表面的碳二聚化过程进行了分子模拟研究。即使在高温下，直接的分子动力学模拟也很难观察到碳二聚体的形成。这是因为高温下铜表面显著的结构弛豫一定程度上阻止了二聚化。为了研究高温下铜表面碳二聚化的机理，我们进行了赝动力学模拟。发现在二聚化的过程中，碳原子形成C-Cu-C桥状结构以后，会绕中间Cu原子转动，最后形成碳二聚体。1300 K下碳二聚化的自由能垒约0.9 eV。

石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景。近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果，并迅速成为了碳材料研究中的新领域。石墨炔中炔键单元的高活性为其化学修饰与掺杂提供了良好的平台。在这篇综述中，我们将重点介绍石墨炔的非金属杂原子掺杂、金属原子修饰以及表面改性，并深入探讨掺杂与衍生化对石墨炔材料的电子性质的影响及其对光电化学催化性能的协同增强。

石墨炔是一种新型碳的同素异形体，是由sp和sp²两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中，石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员，其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性，使之在电化学、光催化、非线性光学、电子学等诸多领域优势显著，因此，发展石墨双炔的制备方法有着重要的意义。本文将首先介绍石墨双炔的结构，随后主要介绍石墨双炔合成方法的研究进展，包括有机全合成、表面在位化学反应和溶液相聚合反应等几个方面，其中溶液相聚合的方法取得了较为突出的进展。在本文的最后，主要探讨了石墨双炔合成方法中的挑战与机遇，并对合成方法的未来进行了展望。