磷酸盐玻璃在光学领域有广泛的应用，然而因为简单的磷酸盐玻璃的化学稳定性和热机械性能较差，已经难以满足日益发展的激光装置的高性能要求。在磷酸盐玻璃中加入少量的硅可以形成六配位的硅网络体并且极大的改善这些性能。因此研究这种磷硅酸盐玻璃的结构细节有重要的意义。但是由于玻璃结构缺乏长程有序，其结构研究比较复杂。现代固体核磁共振(NMR)技术能够从原子尺度对无序状态的物质局域结构进行解析，是一种强大的用来研究玻璃结构的技术手段。本文的目的是探究碱土金属对磷硅酸盐玻璃中六配位硅结构的影响。我们采用传统的熔融-冷却法制备了(2MO-3P₂O₅)_(1−x)·(SiO₂)_x (M = Ca, Sr, Ba)体系的磷硅酸盐玻璃。并且运用先进的固体核磁共振技术和拉曼光谱对此磷硅酸盐玻璃结构进行了表征。³¹P和²⁹Si MAS NMR表明其网络结构由磷氧四面体P⁽²⁾和P⁽³⁾与四配位和六配位的硅氧多面体相互连接构成，随着二氧化硅含量的增加六配位硅的比例呈现减少的趋势。类似地，在拉曼光谱的结构中和六配位硅相连的磷基团的峰也随着硅含量的增加而减弱。基于双量子相干和P-P同核间J耦合作用的重聚INADEQUATE实验证明了不同的磷氧四面体之间的连接情况，P⁽²⁾和P⁽³⁾两种结构单元在玻璃中是相对分离的，他们大多数都是与自身相连接。和之前报道的有关Na₂O-P₂O₅-SiO₂体系的玻璃相比较，不同的是，在Na₂O-P₂O₅-SiO₂玻璃中一个P⁽³⁾结构单元最多有一个Si⁽⁶⁾―O―P⁽³⁾键，而对于本文的碱土金属磷硅酸盐玻璃一个P⁽³⁾结构单元最多有0.4–0.7个Si⁽⁶⁾―O―P⁽³⁾键。说明碱土金属比碱金属对六配位硅的稳定作用更弱一些。这种结构与组成之间的关系对设计玻璃组成和性质能提供重要的依据，尤其在大型的激光装置中对磷酸盐玻璃基质的化学和热稳定性有着很高的要求，详细的结构信息能为通过改变组成来提高善玻璃性能搭建桥梁。

具有菱沸石(CHA)结构的SSZ-13分子筛在甲醇制烯烃(MTO)及柴油机车尾气氨选择性催化还原(NH₃-SCR)反应中具有重要的应用，采用富铝SSZ-13可以调节MTO反应的烯烃选择性和提升NH₃-SCR的低温脱硝活性，因此SSZ-13中的铝含量和分布与对应的酸性决定了其催化性能。本文采用密度泛函理论结合固体核磁共振实验研究了富铝和富硅H-SSZ-13的Al位置与Brønsted酸强度的内在关系。通过计算取代能发现，对于孤立Al位，质子位于Al周围4个不同O位时能量差异较小，最稳定的B酸位点是O(1)―H。对于富铝SSZ-13，两个Al原子位于同一六元环的对位是Al-Si-Si-Al (NNNN)序列中最稳定的结构，而Al-Si-Al (NNN)序列中能量最优的Al分布是两个铝原子排布于六棱柱上下不同的六元环上。通过计算最稳定构型下的质子亲和势、NH₃脱附能和吸附氘代乙腈后的¹H NMR化学位移，发现富铝SSZ-13中含有Si(2Al)分布的NNN序列导致了其Brønsted酸强度弱于高硅的分子筛。分峰拟合²⁹Si魔角旋转核磁共振(MAS NMR)谱图表明富铝SSZ-13中Si(2Al)的含量在43%以上，而吸附氘代乙腈后的¹H MAS NMR实验显示富铝SSZ-13的桥羟基化学位移向低场移动，进一步证明富铝SSZ-13具有较弱的Brønsted酸强度。

基于偶极耦合的同核相关固体核磁共振实验广泛应用于结构表征，RFDR是其中最广泛使用的零量子同核重耦序列之一。此前的研究中证明了RFDR的重耦效率非常依赖于魔角旋转转速、共振偏置、射频场不均匀性、化学位移各项异性及其它多种因素。本文基于对称性序列原理，在中等和高转速下考察了一系列RN_N ¹ (N ≥ 4, N为偶数)对称性序列，并结合多种相位循环，以充分研究零量子重耦序列原理并实现均匀的宽带同核重耦。不同RN对称性序列的零量子偶极重耦效率进一步在¹³C、¹⁵N均匀标记的L-组氨酸以及微晶动力蛋白轻链(LC8)样品上得到检验。

蛋白质组装体广泛存在于生物体内，具有相关生物学功能或与人类的重要疾病密切相关。蛋白质组装体分子量大，通常难以溶解和结晶，限制了常用的结构研究手段如X射线晶体学和液体NMR等在其高分辨三维结构解析中的应用。固体核磁共振技术(ssNMR)在难溶、非结晶样品的三维结构解析中具有独特的优势，尤其随着固体NMR硬件包括高场磁体和高性能的探头、固体NMR多维脉冲实验技术和样品制备技术特别是同位素标记技术的快速发展，固体NMR已经成为了蛋白组装体三维结构解析的重要手段。在样品制备方法方面，强调了样品制备条件的优化对得到构象均一样品的重要性，以及丰富的同位素标记方法的使用对固体NMR谱图分辨率提高的重要作用。同时多种脉冲序列如质子驱动自旋扩散技术(PDSD)，偶极辅助旋转共振技术(DARR)，质子辅助重偶技术(PAR)或转移回波双共振技术(TEDOR)等的建立和发展为结构约束条件收集提供了基本的技术方法。此外，固体NMR与其它实验技术如扫描透射电镜(STEM)，冷冻电镜(Cryo-EM)等和理论模拟方法的联用能显著地提高固体NMR的能力，从而能解析分子量更大、结构更复杂的蛋白质组装体的三维结构。本文以Aβ纤维和T3SS针状体的三维结构解析为例介绍固体NMR在蛋白质组装体结构研究的最新实验方法，重点介绍最新的距离约束条件获取的实验方法进展，以及固体NMR与其它实验和理论模拟研究手段的联用在蛋白质组装体结构解析上的最新进展，期望有助于读者对固体NMR技术在蛋白质组装体的三维结构解析方面的研究进展有所了解。

部分还原TiO₂纳米材料由于具备可见光催化及降解活性而引起广泛研究关注。本研究采用¹⁷O和¹H魔角旋转固体核磁共振(MAS NMR)谱学，结合电子顺磁共振(EPR)谱学研究了锐钛矿型部分还原TiO₂(Re-A-TiO₂)纳米颗粒的表面结构，并与非还原样品(A-TiO₂)作了对比。EPR结果显示，Re-A-TiO₂的顺磁物种(氧空位(OV)和Ti³⁺)含量远高于A-TiO₂，并且EPR信号的强度受吸附水含量的显著影响，我们结合¹H NMR数据，探讨了这一过程中的结构变化。¹⁷O NMR谱中，两种样品除了表面2配位氧(μ₂-O)的信号有明显差异外，还发现在Re-A-TiO₂表面有更多的羟基(OH)，显示该样品表面有较高比例的(001)晶面暴露。综合EPR和NMR数据，可推断羟基主要来源于顺磁中心与吸附水分子反应。¹H→¹⁷O交叉极化(CP)-MAS和二维异核相关(2D HETCOR)NMR谱确认了强吸附的水物种和一种羟基的归属，另外位于约11 ppm的¹H NMR信号可归属为分子内氢键中的氢物种。这些表面结构的差异应与两种材料光降解甲基橙性能差别直接相关。

电池，尤其是锂离子电池的快速发展极大改变了我们的生活。从移动电子设备到新能源汽车再到电网储能，电池应用于多个领域且目前在能量密度和功率密度方面难以被取代。电池技术的向前发展要求我们对其电化学反应机理有完整的认识，这需要来自不同领域研究人员的交叉碰撞。磁共振波谱技术包括核磁共振波谱(NMR)和电子顺磁共振波谱(EPR)，前者适合于研究Li、Na、P、O等电池材料中常见的轻元素，后者适合于研究Co、Mn、Fe、V等电池材料中常见的过渡金属。加上它们具有对样品无损、对结晶度无要求、能够定量分析等优点，NMR和EPR在过去三十年的电池研究中不断进步，日益成为电池表征的重要角色。本文从磁共振方法的角度出发，首先概述了固体NMR和EPR中的主要相互作用及其哈密顿表达形式，接着概述了固体NMR和EPR常用的重要方法及其在金属离子电池研究领域的代表性应用。本文有助于让我们直观地了解磁共振技术本身在金属离子电池研究领域的重要价值，并有望为解决利用固体NMR和EPR进行电池研究的过程遇到的困难提供指导。

快速增长的对安全能源的需求，促使科研工作者不断探索高能量密度的可充锂离子电池(LIBs)。发展原位表征技术能更好地研究电池工作中的锂离子镶嵌机制和电池失效因素。固体核磁共振(NMR)能有效的测试短程化学环境：通过对¹H、^{6, 7}Li、¹¹B、¹³C、¹⁷O、¹⁹F、²³Na和³¹P等同位素来探测电池材料的微观结构。除了魔角旋转(MAS)高分辨NMR谱图研究电池材料的精细结构之外，核磁共振还能无损地捕获、研究电池材料在充放电循环中的演化。因此，原位核磁共振NMR及成像(MRI)可拓展到电池充放电循环中的锂离子的动态演化以及锂离子浓度的时空分布信息。互为补充地，电子顺磁共振(EPR)及成像(EPRI)能有效地跟踪和捕获电极过渡金属、阴氧离子(O₂^n-)的氧化还原过程。这些实时捕获的动态信息能更好地指导电极材料的构效、微观设计和电池组装的改进，最终获得优异的电化学性能。

对分子筛晶化机理的理解对于定向合成具有理想结构与性质的分子筛具有重要意义，然而这仍然是目前材料研究领域中的一个重要挑战。在此工作当中，我们利用一维及二维固体核磁共振结合多种表征技术研究了Silicalite-1 (MFI结构)分子筛晶化过程，通过二维¹H双量子(DQ)-单量子(SQ) MAS NMR以及一维²H MAS NMR实验发现[4¹5²6²]笼中与层间两种SiO^-···H―OSi氢键结构，其中层间氢键在分子筛的晶化过程中逐步转变为笼中氢键。这两种氢键分别具有不同作用：笼中氢键对四丙基氢氧化铵导向剂(TPA⁺)起到空间电荷平衡的作用，在长程有序结构还没有形成时期，这种静电相互作用是晶化过程中有机-无机复合物转变为MFI结构的关键因素；层间的SiO^-···H―OSi氢键起到了“连接器”的作用，能够将合成体系中的硅物种不断的聚集在一起从而产生分子筛的骨架。此外，²H MAS NMR实验表明，即使在分子筛的长程有序结构(MFI结构)生成之后，在分子筛骨架上仍然会存在由于未完全聚合的硅物种而产生的Si―OH羟基巢缺陷位。

核磁共振(NMR)技术凭借其高空间分辨率，宽时间响应尺度和非侵入检测等特点，在化学分析和医疗诊断中发挥着重要的作用。但是原子核的低极化使现阶段NMR技术的灵敏度较低。超极化技术是一类可以有效提高NMR灵敏度的方法。其通过物理或化学过程把原子核自旋态推向一个偏离热力学平衡的状态，使NMR信号强度得到几个数量级的提升，极大地改善了灵敏度。多种超极化技术已经在各个领域崭露头角。本文用较为形象的描述对几种常见的超极化技术包括：动态核极化、光泵、光核极化、化学诱导动态核极化、仲氢诱导极化。从其精巧的原理和广泛的应用进行介绍，有助于人们对超极化技术的认知。

分子间相互作用是决定材料结构和性能的关键因素之一，而如何在分子水上实现对复杂相互作用分子的检测仍然是一个挑战性课题。本工作首先在不同pH值条下以聚丙烯酸/聚环氧乙烷(PAA/PEO)的混合水溶液制备了系列的固体薄膜，然后采用多种基于连续相调制多脉冲技术的一维和二维¹H多脉冲去耦(CRAMPS)固体NMR新技术，并结合高分辨¹³C交叉极化魔角旋转(CPMAS)、²³Na多量子(MQ)等多核固体NMR实验，对PAA/PEO聚合物共混物的微观结构和动力学进行了原位和系统的研究。通过不同类型的¹H高分辨CRAMPS实验检测到共混物中包含多种不同类型质子：通过氢键相互作用形成二聚体的COOH基团、自由COOH基团、与水结合的COOH基团和主链基团。随着pH值的升高，除主链质子外，大部分其它区域的信号都明显降低，这是由于PAA与PEO以及水的氢键作用减弱所致。这些CRAMPS NMR技术也被用来阐明不同pH值制备的样品中不同基团的分子运动性。此外，二维¹H-¹H自旋交换NMR实验提供了关于聚合物PAA与PEO大分子链间、以及水与聚合物的相互作用。¹H自旋扩散实验表明，在这些共混物中明显存在相微观相分离的结构，并且测定的分散相区尺寸约为17 nm。²³Na MQMAS实验揭示了在共混物中存在两种类型²³Na位，一种是自由的钠离子，另一种是与大分子相互作用的Na离子。特别是通过¹H-检测的²³Na-¹H CPMAS实验揭示了Na⁺离子的位置远离PEO而与PAA临近。上述这些SSNMR实验结果在分子水平上提供了氢键相互作用对PAA/PEO共混物微观结构和动力学影响的详细信息，可以获得不同pH值对PAA与PEO的氢键作用、相容性、微观结构、水-聚合物相互作用和不同组分分子运动性的影响。在上述核磁共振研究的基础上，我们提出了一种新的PAA/PEO共混物的结构模型，该模型首次成功地揭示了不同的pH值对PAA/PEO共混物中微观结构和动力学的影响。本工作清楚地表明，固态核磁共振是在分子水平上研究具有复杂相互作用的多相聚合物材料的有力工具。本文的研究工作对于探索检测聚合物弱相互作用的新方法和发展基于氢键相互作用的聚合物新材料的开发具有重要意义。