通过氢还原TiO₂中空微球制备有缺陷的TiO_2-x中空微球。采用冷场发射扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射法（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振波谱（ESR），拉曼光谱仪、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和电化学测试等对制得的光催化剂进行了结构和性能表征。采用可见光催化降解亚甲蓝（MB）性能对光催化剂的光催化活性进行评价。分析了提高光催化活性的机理及MB的降解机理。在探讨MB初始浓度对降解过程的影响的基础上提出了一种新的光催化降解染料动力学模型。结果表明TiO_2-x中空微球的光催化活性优于TiO_2-x是因为形成了具有更高比表面积的中空微球结构。降解MB分子的氧化剂为h⁺、·O₂^-和·OH，其中仅由光生空穴生成的·OH起了主要作用。与拟一级动力学模型相比，新的模型可以更真实有效地描述光催化降解MB过程，因为不仅其计算结果更符合实验数据，而且该模型中的速率常数不随染料初始浓度的变化而变化。

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。

引发科研人员极大兴趣的二维铁电材料由于极好的电子读写性能，是下一代电路设计的重要组成。但是，二维铁电材料非常罕见。最近具有ABP₂X₆（A=Ag，Cu；B=Bi，In；X=S，Se）形式的二维铁电材料，由于可制备超薄铁电材料，掀起了广泛的研究热潮。在ABP₂X₆单层内，P―P键形成支撑顶部和底部X平面的结构，同时位于X层之间的偏心A-B原子引起自发的铁电极化。如果两个偏心的A-B位置均匀对齐，则会导致顺电状态的出现。这种有趣的结构具有潜在的新颖的机械性能。截至目前，单层ABP₂X₆尚无力学性能报告。基于第一性原理计算，我们研究了单层ABP₂X₆（A=Ag，Cu；B=Bi，In；X=S，Se）的结构、电子、力学以及电力耦合性质。通过杂化密度泛函方法计算，发现它们都是有很宽带隙的半导体。CuInP₂Se₆，CuBiP₂Se₆，AgBiP₂S₆和AgBiP₂Se₆的能带带隙分别是2.73，2.17，3.00和2.31 eV。价带顶主要是由X和B原子的p轨道构成，而导带底主要来源于X原子的p轨道和A原子的d轨道杂化。另外，A-B偏心位移有三个短A/B―X键，再加上d-p轨道杂化，我们推测ABP₂X₆单层中铁电结构扭曲的主要原因是Jahn-Teller影响。更有趣的是，ABP₂X₆单层是具有垂直于平面负泊松比的新类型的拉胀材料，负泊松比的数值有如下关系：AgBiP₂S₆（-0.805） < AgBiP₂Se₆（-0.778） < CuBiP₂Se₆（-0.670） < CuInP₂S₆（-0.060）。这主要是由于在x/y方向上施加的拉伸应变增大了P―P键和顶层X原子之间的角度，因此增加了单层ABP₂X₆的垂直平面方向的褶皱高度。此外，外部应变对A-B偏心位移具有显著影响，从而产生垂直于平面的压电极化。CuInP₂S₆，CuBiP₂Se₆，AgBiP₂S₆，AgBiP₂Se₆单层的e₁₃值计算为-3.95×10^-12，-5.68×10^-12，-3.94×10^-12，-2.71×10^-12 C·m^-1，与实验证实的二维平面外压电Janus系统相当（压电系数为-3.8×10^-12 C·m^-1）。这种不寻常的拉胀行为、铁电极化以及单层ABP₂X₆中的电力耦合可能会在纳米电子学、纳米力学和压电学中产生巨大的技术重要应用。

联芳基骨架的合成过去主要依赖于过渡金属催化的交叉偶联反应和碳氢键芳基化反应。近年来，碱促进的芳基卤化物与非活化芳烃的自由基芳香取代反应（BHAS）得到了广泛的关注，为合成联芳基骨架提供了更简洁的策略。在本文中，我们报道了使用叔丁醇钾作碱和电子供体，dppf（1，1’-双（二苯基膦基）二茂铁）介导的非活化芳烃与芳基碘的直接芳基化反应。在标准反应条件下，一系列具有不同取代基团的芳基碘化物和芳烃都能顺利反应，以良好的收率和区域选择性生成芳基化产物。分子内芳基化反应也可以顺利进行：该反应经历了单电子转移（SET）/引发、5-exo-trig自由基加成、扩环、去质子化和芳构化/链增长等步骤。机理研究表明，dppf骨架中的二苯基膦基团通过与叔丁醇阴离子作用提高其单电子还原能力，是顺利引发反应的关键。同时，同位素效应实验结果表明叔丁醇钾与环己二烯基自由基中间体的去质子化过程是整个反应中的决速步。

近年来，通过导向基团进行碳氢键活化构建C-C键及C-X键的方法得到了快速发展，已成为有机合成的重要手段之一。在碳氢键活化中，作为多功能导向基团之一的氧酰胺，由于其独特的性质，引起了科学家们的广泛关注。氧酰胺中O-N键的氧化性替代外部氧化剂，使反应处于氧化还原中性。加入化学计量的外部氧化剂，通常可以使O-N键得到保留。在不同的溶剂中，能够表现出不同的区域选择性和立体选择性；皆体现了氧酰胺作为导向基团的独特之处。本文综述了N-苯氧基酰胺作为底物进行碳氢键活化的研究进展，同时根据现有的实验和理论研究结果对不同反应的机理进行了探讨。

普通烷烃C-H键是指不受杂原子和碳不饱和官能团影响的sp³C-H键，如甲烷、链烷烃和环烷烃的C-H键等。它们具有较大的键能和较小的酸碱性，因而呈现惰性，通常不易在温和条件下发生断裂。同时，除个别烷烃以外，普通烷烃往往具有不同性质和不同位置的C-H键，其反应选择性也是一个难点。近半个世纪以来，金属参与的惰性C-H键活化及官能化反应得到了重视与发展。其中，在没有官能团导向作用下，过渡金属催化剂对甲烷C-H键和普通烷烃一级C-H键进行选择性亲电活化和氧化加成，从而导致官能化反应发生是比较有效的。本文介绍了这些方法的研究进展，包含机理分析以及相关反应的建立。

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。

新型二维材料g-C₃N₄由于其独特的电子结构和优异的化学性能受到了极大关注。根据金属载体间的相互作用以及合金的协同效应，本文应用密度泛函理论，对核壳结构MNi₁₂（Fe，Co，Cu，Zn）纳米团簇与载体g-C₃N₄的相互作用进行研究，并通过其对CO的吸附能研究新型催化剂的反应性能。结果表明d层电子越少的“核”原子与“壳”原子Ni的相互作用更强；当MNi₁₂负载在g-C₃N₄上时，-9.40 eV到-8.39 eV之间的结合能说明MNi₁₂可以很好的稳定在g-C₃N₄上；最后，通过MNi₁₂以及MNi₁₂/g-C₃N₄对CO的吸附行为发现，g-C₃N₄的引入导致CO的吸附能和C―O键长减小。根据电荷分析以及静电势（ESP）分析，发现其原因是因为g-C₃N₄担载以后，CO从MNi₁₂获得的电子数更少。通过本次理论计算，可以得出结论：g-C₃N₄担载MNi₁₂（Fe，Co，Cu，Zn）的新型催化剂不仅可以呈现高稳定性，还可以调变反应性能。

近些年来，石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物以及其他二维材料受到了越来越多的关注。凭借其独特的结构和优异的电学、光学特性，这些二维材料在光电器件中得到了广泛应用，具有良好的发展潜力。本文概述了二维材料在光电探测器领域的最新研究进展，介绍了一些常见的二维材料及其制备方法，阐述了光电探测器件的基本原理和评价参数，以及回顾了二维材料及其异质结构在光电探测器中的应用，最后总结了该领域仍然面临的挑战并对其未来的发展方向进行了展望。

钙离子和镁离子是生物细胞中重要的二价阳离子，对生物膜结构保持和功能行使发挥重要作用。但至今，对两种阳离子在不同浓度下与大肠杆菌内膜相互作用的认识仍存在局限。本文采用动态光散射（DLS）、zeta电势实验、全原子分子动力学模拟（AA-MD），定量研究了不同浓度的钙离子和镁离子对混合磷脂双分子层膜（1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸乙醇胺（POPE）：1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三基-3-磷酸甘油（POPG）的摩尔比为3：1）模拟的大肠杆菌内膜的影响。DLS结果表明，在0和1 mmol·L^-1钙离子或镁离子溶液中，POPE/POPG脂质体为均匀的单分散体系。当两种离子浓度分别提高到5-100 mmol·L^-1范围时，单室脂质体间发生脂分子聚集或脂质体融合事件。Zeta电势数据表明，钙离子或镁离子对电负性的POPE/POPG脂质体均有电荷反转效果。AA-MD模拟计算结果表明，当模拟时间超过100 ns时，各浓度的钙离子稳定地吸附在磷脂双分子层膜上，而镁离子动态地吸附/解吸附于磷脂膜，这些结果与DLS和zeta电势实验基本吻合。同时，通过计算径向分布函数，分析了0、5、100 mmol·L^-1浓度溶液中POPE和POPG的磷酸、羰基和羟基基团氧原子的第一配位壳层中的钙离子或镁离子的平均配位数目，结果表明两种离子主要结合在POPE和POPG电负性的磷酸基团上，因此可以解释DLS实验中钙离子或镁离子对POPE/POPG脂质体的电荷反转现象。另外，随着离子浓度的增高，钙离子减小了磷脂双分子层膜的单个磷脂面积，同时使膜的厚度增大，而镁离子对膜的两种参数影响较小。同时，相同浓度条件下两种离子对膜中磷脂分子的取向影响不同。这些模拟结果可在原子水平上解释DLS和zeta电势实验中钙离子和镁离子对POPE/POPG脂质体的不同影响。本文的实验和分子动力学模拟结果可以解释一些与二价阳离子调控相关的生物学过程，例如，膜融合。

3d过渡金属物种活化甲烷的研究已有较多报道，但人们对3d前过渡金属物种与甲烷反应体系的报道非常少，与之相关的甲烷活化机理的认识仍然非常有限。在本工作中，我们通过气相质谱实验和密度泛函理论计算证实了VB⁺离子可以在热碰撞条件下活化甲烷产生氢气和碳硼化合物，由于强的静电相互作用，甲烷活化优先发生在VB⁺离子的V原子位点。甲烷的活化转化涉及二态反应性，在反应的入口处需要经历从高自旋六重态到低自旋四重态的自旋反转。由于V-CH₃以及B-H化学键较强，H₃C-H键断裂以V-B单元协同插入而非单个V或B原子插入C-H键的方式进行。对VB⁺活化甲烷的机理认识可以为新型3d过渡金属催化剂活化甲烷的研究提供理论基础。

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。

吡啶酮是一类重要的含氮杂环骨架，广泛存在于天然产物和药物分子中，是重要的化学转化中间体，其合成与修饰是现代医药学及化学领域的研究热点之一。杂环母核的官能团化修饰是该类化合物较为常见的衍生方式，但要求特定位点的反应基团预组装。相较而言，两个片段分子的直接偶联环化，是更为直接且具备较高实用性的合成类似杂环分子库的方式。近年来，过渡金属催化的丙烯酰胺与炔烃的氧化偶联制备吡啶酮类化合物取得了长足进展，关键活化步骤为过金属催化剂对酰胺β位sp²碳氢键的活化。然而，通过对更加易得的烷基酰胺进行sp³碳氢键活化制备杂环骨架依然具有较高的挑战性。其原因主要在于较低的α-酸性使得酰胺的脱氢反应变得异常困难。本课题组最近报道了温和条件下，铱催化的酰胺、酸及酮的空气脱氢反应。反应中产生的烯丙基-铱中间体被认为提高了酰胺的α-酸性，从而加速了脱氢过程。在此基础上，我们报道一种铑（III）催化的γ，δ-不饱和酰胺与炔烃类化合物的脱氢环化新方法，制备一系列多取代的吡啶酮类化合物。催化循环历经酰胺导向铑（III）对底物β位点的sp³碳氢活化，进而脱氢生成共轭的双烯酰胺中间体，随后酰胺基团再次导向铑（III）对β位的sp²碳氢活化，进而与炔烃进行插入，环化获得吡啶酮。该反应对各种官能团具有较好的容忍性。γ-烯基结构不但促进第一步的酰胺脱氢，而且是杂环产物后修饰的重要位点。机理实验表明双烯酰胺的确为反应中间体之一。核磁实验显示酰胺脱氢迅速，而控制实验则表明炔烃的插入过程的选择性与其电性有密切的关系，有可能参与了该反应的速控步。

我们制备研究了基于结构为氧化铟锡（ITO）/C₆₀（1.2 nm）：MoO₃（0.4 nm）/1，3，5-三（1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基）苯（TPBi）：三（2-苯基吡啶）铱[Ir（ppy）₃]（33%，90 nm）/LiF（0.7 nm）/Al（120 nm）的高效绿色磷光单层有机发光二极管（OLED）。分别将C₆₀，MoO₃与C₆₀：MoO₃混合物作为空穴注入层（HIL）作为对比。TPBi在发光层中起着主体以及电子传输材料的双重作用。在使用电子传输型主体的单层OLED中，空穴注入层性质对于调节电子/空穴注入以获得电荷载流子传输平衡起重要作用。因此，适当调节空穴注入层是实现高效单层OLED的关键因素。由于MoO₃较大的电子亲和能（6.37 eV）会诱导电子从C₆₀的最高占据分子轨道（HOMO）能级转移至MoO₃，从而形成C₆₀阳离子，并使得Mo元素的价态从+6降至+5，C₆₀：MoO₃混合就可以较好的调节空穴注入性质。最终实现最大电流效率为35.88 cd·A^-1的单层有机发光器件。

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。

如何在较温和的条件下将甲烷转化为其它更有价值的有机衍生物，如醇、芳烃、长链烷烃和烯烃等，长期以来是催化、化学及化工领域的热点课题和难点课题之一。为了提高甲烷的转化效率，过去几十年里，研究人员不断开发新的催化剂和新的反应路径。与传统高温热催化方法相比，如果能利用自然界中丰富的太阳能驱动甲烷转化，将同时满足能源和环保两方面的要求，是各种新型非常规策略中比较令人期待的一种。本文从光催化材料的组成、结构及催化路线、催化机制等方面进行总结，对当前室温光活化甲烷分子的研究现状加以论述。

作为纳米材料中最有前途的的材料之一，石墨烯由于其超高的电导率、优异的热稳定性和机械强度受到了研究者的广泛关注。本文通过非平衡格林函数法结合密度泛函理论计算了石墨烯点缺陷（包括Stone-Waals，反Stone-Waals，单空位和双空位）及其浓度对石墨烯电输运性质的影响。石墨烯的电导在很大程度上依赖于点缺陷的类型及浓度。低浓度的Stone-Waals和反Stone-Waals缺陷不会显著地降低石墨烯的电输运，而双空位可使电导降低约50%左右。石墨烯中明显的电输运行为变化是由带缺陷石墨烯的能带结构决定的-由于点缺陷破坏了石墨烯蜂窝状晶格的对称性，会在费米能级附近引入局域态，进而导致狄拉克点处有能带劈裂。高缺陷浓度的双空位会在费米能级附近引入更多的平带以及在缺陷处更多的局域态，因此可能对载流子进行一定的散射，降低石墨烯的电导。此外，局部电荷密度表现出增强的局域性，阻碍了载流子的运动。石墨烯电导随着缺陷浓度和能带劈裂的增加呈指数下降。这些理论结果为研究真实单层石墨烯的电输运特性提供了重要的理解，并将有助于实验上控制石墨烯基器件的性能。

近年来，柔性电子器件的发展日新月异。以碳纳米管为代表的碳纳米材料，尤其是其组装成的宏观结构碳纳米管薄膜具有良好的柔性和优异的导电性，且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点，在柔性电子领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来碳纳米管薄膜在柔性电子器件领域的研究进展。首先详细介绍了碳纳米管薄膜的两类主要制备方法，分别为干法制备和湿法制备；继而介绍了碳纳米管薄膜在多种柔性电子器件的组装、性能与应用方面的最新研究进展；最后总结了碳纳米管薄膜基柔性电子领域的发展现状，并讨论了该领域所面临的挑战及其未来前景。

溶胀胶束是表面活性剂胶束增溶其它物质后使胶束膨胀的一种胶束状态，因其能显著提高难溶性物质的溶解度而备受关注。针对近年来对溶胀胶束的研究进展，综述了溶胀胶束的最大增溶量、增溶过程以及增溶后形貌尺寸的变化等问题，总结了影响胶束增溶作用的因素，厘清了溶胀胶束与微乳液的异同，介绍了溶胀胶束的应用，展望了其应用前景与发展方向。

近年来，二维材料异质结构的兴起进一步促进了二维材料领域的发展。在异质结构中，不同组分的界面作用或耦合效应会产生有趣的现象和特殊的性质。目前发现除材料组分外，空间结构也是影响异质结构总体性质的重要因素。尽管诸如干法转移和气相生长的固相法能够将原始或高度结晶的二维晶体制备出空间可控的异质结构，但是它们在很大程度上受限于低产率和高成本的缺点。相比之下，液相法虽然产物质量相对较低，但更适用于大规模生产功能性异质结构。然而，如何对组分的三维空间布局进行精确控制仍是目前液相法亟待解决的问题。在这篇综述中，我们介绍了通过湿化学法制备二维异质结构的最新进展，聚焦于对二维异质结构空间布局的控制。在本文的末尾，我们还讨论了此领域面临的挑战和潜在的机遇。

硫醚作为一类重要的含硫功能分子，广泛存在于天然产物、药物及有机发光材料中。鉴于硫醚类化合物的重要性，近年来化学家们发展了一系列高效构建硫醚的方法。与传统的有机卤化物/有机硼酸与硫醇交叉偶联的合成方法相比，C-H官能化直接构建硫醚的策略因其步骤经济性、原子经济性备受合成化学家们关注，并取得重要进展。本文根据不同过渡金属进行分类，系统阐述了近年来过渡金属催化/参与C-H官能化或无过渡金属催化C-H官能化构建硫醚这一方向研究进展。

以石墨烯代表的二维材料已经成为新型高性能膜的纳米构建单元。原子级厚度的纳米片有利于制备超薄膜，极大提升膜的通量；与此同时，可实现在亚纳米级别精度下操纵传输通道实现精确的分子筛分，在气体分离领域有着广阔的前景。本文简要综述了二维材料膜在气体分离领域的最新突破性研究，重点介绍了如何实现亚纳米级别的二维通道，结构完整的二维纳米片的剥离方法及气体传输特性可调节的层间通道，并分析了二维材料膜发展面临的挑战和机遇。

过渡金属催化活化C-H键来构建新共价键因具有原子经济和合成简捷的特点，已成为合成化学中最为有效策略之一。本文中，我们总结了过渡金属参与的C-H键切断的理论研究进展，并系统性提出了C-H键切断的相关模式，包括：C-H键对金属的氧化加成、碱协助的去质子化、σ-复分解、Friedel-Crafts型亲电芳香取代、α-或β-氢消除以及夺氢活化等。理论计算表明，当使用还原性较强的零价金属催化剂时，反应可按照氧化加成模式进行。当使用金属羧酸盐作为催化剂时，通常以协同金属化-去质子化机理模式实现C-H键切断。当使用阳离子金属催化剂，富电子芳烃比缺电子芳烃优先反应时，C-H键切断则会经历碱协助的内部亲电取代模式。σ-复分解是协同金属化-去质子化机理的另一种模式。如果亲电体对芳烃进行加成时，则可按照Friedel-Crafts型亲电芳香取代方式活化C-H键。α-或β-氢消除也是比较常见的活化C-H键模式。此外，夺氢活化可通过自由基过程实现C-H键活化。本文通过对过渡金属参与的C-H键活化模式的论述旨在为实验提供理论指导。

在能源需求不断上涨及石油供应日益紧张的背景下，开展对煤、天然气或生物质等非油基资源（CO、CO₂、CH₃OH、CH₄等）的高效利用显得尤为重要。C₁小分子（CO、CO₂、CH₃OH、CH₄等）经催化转化可得到燃料及多种化学品，一直受到学术界及工业界的广泛关注。甲烷/甲醇作为重要的C₁平台分子，其催化转化在C₁化学中占据重要地位。为了提高目标产物的选择性，需要有效地控制甲烷/甲醇中C-H键的活化。传统热催化作为甲烷/甲醇最常见的转化方法发展已久，但仍然面临着反应条件苛刻、能耗大、产率和选择性低等问题。光催化反应通过引入光能弥补反应中吉布斯自由能的上升，同时具有反应条件温和、操作简单、能耗低等特点，从而为甲烷/甲醇转化提供了新的途径。通过调节光的波长、强度以及催化剂的氧化能力可以实现甲烷/甲醇的选择性转化，减少副产物的生成。此外，光催化能够选择性活化甲醇的C-H键而非O-H键，从而实现甲醇的C-C偶联反应。本文主要围绕甲烷/甲醇的重整、氧化和偶联反应，总结近年来的光催化转化进展，并对进一步提高光催化性能做了展望。

近年来，二维过渡金属二硫化物（TMD）由于其良好的物理和化学性质而引起人们的关注。其中，石墨烯由于其高达200000 cm²·V^-1·s^-1高电子迁移率得到了深入研究。由于石墨烯没有带隙，因此基于石墨烯的器件难以实现高的电流开关比。对于二维过渡金属二硫化物例如MoS₂、MoSe₂、WSe₂和WS₂，这些材料可以根据层数来调节的带隙。其中，单层和多层MoS₂薄膜已进行了广泛深入研究。已经有人实现具有优异电学性能的基于MoS₂的场效应晶体管（FET）。与MoS₂、MoSe₂和MoTe₂相比，WS₂具有更低的面内电子质量，这表明基于WS₂的FET具有更高的载流子迁移率或更高的输出电流。与MoS₂相比，WS₂缺乏系统的研究，需要更多的研究工作来进一步发掘基于WS₂的场效应晶体管的潜能。因此，我们使用机械剥离法来制备WS₂晶体单层（1L），少层（FL）和块状WS₂薄膜。使用3M透明胶带转移WS₂薄膜，并且使用514 nm激光器对1L、FL和块状WS₂膜进行了变温的拉曼研究。随着膜厚度增加到块状，对于1L WS₂，A_1g（Γ）和E_2g¹（Γ）模式分别显示蓝移和红移。此外，当拉曼振动模式在E_2g¹（Γ）和A_1g（Γ）之间交换时，"交叉"温度被识别为1L、FL和块状WS₂膜。与MoS₂相比，随着膜厚度的变化，WS₂在E_2g¹（Γ）和A_1g（Γ）之间表现出较小的频率变化（△），并且从拉曼峰值位置随温度变化来看，WS₂比MoS₂少一个量级。这项工作为基于WS₂的器件设计提供了物理指导。

近年来，过渡金属催化的碳氢键活化反应得到了快速的发展，已成为构建碳碳键及碳杂原子键的重要手段之一。利用双金属之间的协同效应，发展的双金属促进的碳氢键活化反应也引起了广泛的关注，并在均相催化领域里取得了良好的应用。双金属促进的碳氢键活化反应与单金属催化的碳氢键活化反应相比，能够表现出不同的化学选择性、区域选择性以及立体选择性，体现了其独特之处。本综述总结了各种双金属促进的碳氢键活化体系，同时依据实验和理论研究结果对可能的反应机理进行了探讨。

运用密度泛函理论系统研究了甲烷在MV₃O_y^q（M=Au/Ag，y=6-8，q=0或±1）团簇上的吸附和活化。研究得到了吸附体系的微观几何构型、吸附能、电荷分布等性质，找到了5个可以明显活化甲烷分子的含Au团簇。在这些体系中，Au均吸附在基底团簇V₃O_y^q的O位置，而CH₄均在Au原子上被活化。团簇电荷对活化能力有明显影响，阳离子团簇的活化能力最强，中性体系次之，阴离子团簇的活化能力很弱。测试计算表明引入D3色散矫正对于体系结构和能量的计算结果影响不大。本文作为单原子催化剂上甲烷吸附和活化反应的团簇模型研究，为进一步研究单原子催化剂上甲烷的活化机理提供了基础，也为合理设计低温下甲烷转化的单原子催化剂提供了有益的线索。

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。

本工作采用超声辅助液相剥离法制备锑烯量子点，研究了在180 W、10 h的超声工艺条件下，分别以H₂O、C₂H₅OH、N-甲基吡咯烷酮（NMP）为剥离溶剂得到的样品形貌。以分散浓度及稳定性为标准，评估了三种溶剂在锑烯量子点制备中的优劣。结果表明，锑烯样品在NMP中分散浓度最高且最为稳定。透射电子显微镜（TEM）的结果显示，只有NMP中的样品在形貌上呈现出来的是量子点，而其他两种溶剂中得到的样品主要是锑烯纳米片，所以NMP是最适合锑烯量子点制备的溶剂。此外，我们还标定了以上三种溶剂中锑烯样品浓度与比浊度的标准曲线，从而可以通过比浊法方便地测定锑烯分散液的浓度。