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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

我们对sp + sp²杂化的碳同素异形体—石墨炔，以及锡烯等层状体系的电子结构、形变势、电声耦合和电荷输运性质进行了回顾。有些二维石墨炔具有类似石墨烯的狄拉克锥，同时石墨炔电子结构可通过将其沿不同方向裁剪成不同宽度一维纳米带来调节。采用玻尔兹曼输运方程和形变势近似，结合第一性原理计算，我们预测石墨炔电荷载流子室温迁移率可达10⁴–10⁵ cm²·V^-1·s^-1，尤其6, 6, 12-石墨炔，因有两个狄拉克锥及比石墨烯弱的电声耦合，其室温迁移率甚至能高于石墨烯。因此具有独特电子结构和高迁移率的石墨炔能成为继石墨烯之后未来的纳米电子器件材料。此外我们着重分析了形变势方法的适用性：密度泛函微扰理论和瓦尼尔插值技术能精确计算任意波矢和模式的声子对载流子散射，该方法在石墨烯和石墨炔上的运用表明二维平面碳材料中对载流子输运起主导作用的是长波长纵声学声子散射，因而形变势方法是适用的；但通过对锡烯等二维非平面buckling结构的材料声子散射和迁移率的计算，发现此类不具备σ_h对称性的材料有较强的面外声子散射和横声学声子谷间散射，使得常用的形变势失效。

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。

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。

提出了一种针对大孔树脂阴离子功能化的新策略并合成了一系列阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][An]，在20 ℃和101.3 kPa的吸附条件下实现了对SO₂的超高吸附容量(> 10 mmol·g^-1)。和常规唑基阴离子功能化大孔树脂相比，聚咪唑基硼酸阴离子功能化的大孔树脂[IRA-900][B(Im)₄]在低压条件下仍然展现了卓越的SO₂捕集能力。吸附实验发现，[IRA-900][B(Im)₄]在10.13 kPa和20 ℃的低压环境中能够保持10.62 mmol·g^-1的超高SO₂吸附量。通过红外谱学研究以及密度泛函理论(DFT)计算来进行吸附机理探究，发现聚唑基硼酸阴离子[B(Im)₄]具有独特的正四面体构型，从而打破了阴离子上N负位点之间的电子流动和共轭效应。在[IRA-900][B(Im)₄]捕集SO₂过程中，阴离子连续和SO₂分子发生化学相互作用时，吸附焓变无明显下降。因此，一个[B(Im)₄]阴离子能够提供四个有效的作用位点和SO₂发生化学吸附作用，从而在低压条件下，[IRA-900][B(Im)₄]仍然实现了超高的SO₂捕集能力。此外，我们对阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][B(Im)₄]在低压条件下对SO₂吸附的循环稳定性做了探究。结果发现，在20 ℃和10.13 kPa的吸附环境中以及70 ℃的脱附条件下，[IRA-900][B(Im)₄]展现了良好的循环稳定性，具有极大的工业应用价值。最后，这种阴离子功能化的策略以及多位点捕集方法对实现烟气环境中SO₂的高效捕集开拓了新的思路。