大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中，调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质，具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性，受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段，共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中，依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法，而在氧化还原法中，以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着，我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响，并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性，同时也具有宏观组装所赋予的性能，有望在多个领域得到广泛的应用。

以过渡金属为催化衬底的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)已经可以制备与机械剥离样品相媲美的石墨烯，是实现石墨烯工业应用的关键技术之一。原子尺度理论研究能够帮助我们深刻理解石墨烯生长机理，为实验现象提供合理的解释，并有可能成为将来实验设计的理论指导。本文从理论计算的角度，总结了各种金属衬底在石墨烯CVD生长过程中的各种作用与相应的机理，包括在催化碳源裂解、降低石墨烯成核密度等，催化加快石墨烯快速生长，修复石墨烯生长过程中产生的缺陷，控制外延生长石墨烯的晶格取向，以及在降温过程中石墨烯褶皱与金属表面台阶束的形成过程等。在本文最后，我们对当前石墨烯生长领域中亟需解决的理论问题进行了深入探讨与展望。

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)法制备的石墨烯薄膜具有质量高、可控性好、可放大等优点，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。然而，近期研究结果表明，在高温CVD生长石墨烯的过程中，伴随着许多副反应，这些副反应会导致石墨烯薄膜表面沉积大量的无定形碳污染物，造成石墨烯薄膜的“本征污染”现象。同时，这些污染物的存在会导致转移后的石墨烯薄膜表面更脏，对石墨烯材料和器件的性能带来严重影响。这也是CVD石墨烯薄膜的性能一直无法媲美机械剥离石墨烯的重要原因之一。事实上，超洁净生长方法制备得到的超洁净石墨烯薄膜在诸多指标上都给出了目前文献报道的最好结果，代表着石墨烯薄膜材料制备技术的发展前沿。本文首先对CVD法制备石墨烯过程中表面污染物的形成机理进行分析，然后综述了超洁净石墨烯薄膜的制备方法，并列举了超洁净石墨烯薄膜的优异性质。最后，总结并展望了超洁净石墨烯未来可能的发展方向和规模化制备面临的机遇与挑战。

表面电荷转移掺杂是调制石墨烯电学特性的重要手段。发展高效、稳定的表面电荷转移掺杂剂对于提高石墨烯的电学和光电性能、从而推动其在电子和光电领域中的应用具有重要意义。本文围绕高效与稳定两个方面综述了近年来石墨烯表面电荷转移掺杂剂的研究现状以及掺杂石墨烯在光电器件应用方面的进展。根据掺杂剂的类型，着重介绍了最新发展的高效p型和n型掺杂剂，并概述了稳定掺杂方面的重要研究工作。此外，专门介绍了基于掺杂石墨烯透明电极的高性能光电器件。最后，根据表面电荷转移掺杂研究面临的主要挑战，对其未来的发展方向进行了展望。

随着现代社会智能化的加速发展，传感系统中传感器的数量、密度和分布范围不断增加，传统的供能方式难以满足如此复杂多变的传感器供能需求，从周围环境中收集能量并转化为电能的自供能传感器件是解决这一难题的有效途径。石墨烯不仅具有优异的传感性能，而且在各种能源器件中有广泛的应用，这为基于石墨烯的自供能传感器件设计提供了便利。近年来，人们已经研究和发展了多种多样的石墨烯自供能传感器件。本文基于自供能器件的基本能量供给原理，包括电化学供能、光伏供能、摩擦电供能、水伏供能以及热电、压电、热释电等其它供能，分别介绍了石墨烯在自供能传感器件中的应用，并展望了基于石墨烯的自供能传感器件的未来发展、挑战和前景。

由于能源消费需求的持续增长和传统化学燃料的日益枯竭，对可再生能源的需求日益迫切。以地热能、太阳能为代表的可再生能源脱颖而出。然而，这些能源的应用易受到天气、季节、地点和时间的影响，具有不稳定性、随机性、波动性和间歇性。储能技术是解决上述问题的有效途径，它可以在需要的时候储存或释放能量。在各种储能技术可选材料中，相变材料(PCMs)是智能热能管理和便携式热能领域的有力候选者。大多数相变材料都存在导热系数低、环境污染、熔点泄漏等问题，因此有必要将相变材料封装到支撑骨架材料中。事实上，支撑材料在应用中仍面临着一些重大挑战。首先，骨架材料应能抵抗相变材料在相变过程中的体积变化，即具有良好的结构稳定性。其次，还应具有较高的导热系数和较低的泄漏率。石墨烯气凝胶(GA)已被证明是提高相变材料形状稳定性的有效支撑骨架，但相变引起的泄漏和网络结构的脆性是制约其应用的关键问题。在此，我们提出了一种双脉冲电镀的强化策略，用于制备铜@石墨烯气凝胶(Cu@GA)作为相变储能骨架材料。这一结构设计中，石墨烯气凝胶上的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层，且不同片之间被铜镀层所连接。这种铜增强石墨烯气凝胶网络结构赋予复合材料良好的导热性和坚固的骨架稳定性，有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外，通过真空浸渍法将十八胺(ODA)封装在Cu@GA骨架中，获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料(Cu@GA/ODA)，保证了ODA在Cu@GA骨架材料中的均匀分散和填充。通过比较复合相变材料的重量变化，研究了不同骨架对复合相变材料泄漏率的影响。优化后的复合相变材料(CPCM)Cu@GA/ODA经20次储热、放热循环后，泄漏率降低至19.82% (w，质量分数)，而GA/ODA和GOA/ODA为骨架的复合相变材料的泄漏率分别为80.31% (w)和72.99% (w)。为了探讨这种影响的原因，用扫描电子显微镜(SEM)观察了循环后骨架的形貌。铜/石墨烯气凝胶(Cu@GA)骨架材料没有明显的收缩或坍塌，仍可以保持完整的三维网络结构，而氧化石墨烯气凝胶(GOA)和石墨烯气凝胶(GA)的骨架材料三维结构不复存在，且在氧化石墨烯/石墨烯片能够观察到明显的裂隙。铜涂层可以提高骨架的微观结构稳定性，有利于提高结构稳定性，降低复合材料的泄漏率。同时，该研究为构建理想的金属增强石墨烯气凝胶复合骨架材料铺平了新的道路，该复合材料具有优异的综合性能，可用于未来的相变储能、多孔微波吸收和储能应用。

自2004年被成功制备后，石墨烯因其独特迷人的性质在近十几年来备受关注，同时也引发了二维纳米材料的研究热潮。单原子层厚度的二维结构赋予石墨烯非同寻常的光学、电子学、磁学及力学等性质，使得石墨烯在生物学、医学、化学、物理学和环境科学等多个领域展现出极大的应用潜力。制得注意的是，石墨烯在应用时通常需要进行功能化，调节其组成、大小、形状和结构等，以便于加工处理或满足不同的应用需求。石墨烯功能化方法多样，功能化产物也是种类繁多。然而，到目前为止，石墨烯功能化产物并没有系统全面的分类和精确的定义。因此，本文在系统总结现有石墨烯功能化研究的基础上，给出了石墨烯功能化产物的系统分类、各类的精确定义和相应的制备策略，并通过典型示例进行了详细地阐述。石墨烯功能化的产物统称为“功能化石墨烯材料”，分为两类：“功能化石墨烯”和“功能化石墨烯复合材料”。功能化石墨烯材料的制备可由“自上而下”和“自下而上”两种策略实现。制备策略的选择取决于应用需求。系统分类、精确命名和制备策略的归纳必将有助于功能化石墨烯材料的进一步发展。

石墨烯具有目前已知材料中最高的热导率，在电子器件、信息技术、国防军工等领域具有良好的应用前景。石墨烯导热的理论和实验研究具有重要意义，在最近十年间取得了长足的发展。本文综述了石墨烯本征热导率的研究进展及应用现状。首先介绍应用于石墨烯热导率测量的微纳尺度传热技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后展示了石墨烯热导率的理论研究成果，并总结了石墨烯本征热导率的影响因素。随后介绍石墨烯在导热材料中的应用，包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的成果进行总结，提出目前石墨烯热传导研究中存在的机遇与挑战，并展望未来可能的发展方向。

水资源短缺是世界长期面临的问题，当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来，人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术，能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能，实现大量的、快速的水蒸发，冷凝后收集便得到洁净水，是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异，光热转化效率高，同时其太阳光吸收率高，内部微纳孔道丰富，具有良好的水传输通道，表面水蒸发面积大，在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率，在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文将综述石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展，包括石墨烯三维结构组装体制备方法，其光热水蒸发性能，总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用，最后分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。

化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯薄膜具有质量高、均匀性好、层数可控且可放大等优点，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。在高温CVD生长过程中，除衬底表面的反应外，气相反应同样会影响石墨烯的生长行为和薄膜质量。本文将综述气相反应对CVD生长石墨烯的影响：首先对CVD体系内的气相传质过程和气相反应进行了详细讨论；随后系统介绍了基于气相调控提高石墨烯的结晶性、洁净度、畴区尺寸、层数和生长速度的相关策略及其机理；最后对气相反应影响CVD生长石墨烯的规律进行总结，并展望了未来可能的发展方向。

生物质作为自然界中唯一可持续的有机碳来源，在解决环境和能源问题、创建一个碳中和的社会方面展现出巨大的潜力。木质生物质是由具有C―O/C―C键的基本结构单元构成的高分子化合物，活化、断裂这些C―O/C―C键是生物质高值化利用的关键，因此在过去十年中受到了广泛的关注。本文首先简要综述了生物质转化中C―O/C―C键催化断裂的现状，主要关注C―O/C―C键断裂的关键挑战和现有策略。我们的目标不是全面概述C―O/C―C键活化断裂的现况，而是提出与C―O/C―C键断裂相关的核心问题并且对未来的研究作出展望。我们选择了碳水化合物和木质素中几种具有代表性的C―O/C―C键来讨论它们在不同情况下协同催化断裂的机理，然后对未来的研究提出自己的见解。

2, 5-呋喃二甲酸二甲酯(DMFDCA)这一生物质衍生的增值化学品是石油基聚合物单体对苯二甲酸(TPA)的理想替代品。本研究采用一步共热解法合成了两种廉价金属修饰的氮掺杂多孔碳催化剂CoMn@NC，并将其用于5-羟甲基糠醛(HMF)在温和条件下的需氧氧化。由Co₃Mn₂@NC-800催化HMF在50 ℃和常压氧气的条件下反应12 h后，得到产率为85%的DMFDCA。多孔催化剂的高比表面积提高了传质效率。Co纳米粒子(NPs)和呈原子级分散的Mn与掺杂在碳中的氮配位形成M―N_x。富含吡啶氮的碳基体中的缺电子金属位点有利于HMF和氧的活化。氧形成的超氧自由基阴离子的存在确保了半缩醛中间体和5-(羟基甲基)-2-糠酸甲酯(HMMF)的羟甲基的脱氢氧化，从而高选择性得到DMFDCA。该催化剂性能稳定，可适用于各种取代芳醇。该催化体系具有用于生产聚合物单体羧基酯的应用潜力。

木质素是一种天然芳香族聚合物，约占木质纤维素的30%，是唯一通过裂解C―O醚键和C―C键生产芳香族化学品或液体燃料的可再生芳香族资源。迄今为止，对木质素氢解制备有价值化合物的研究主要集中在相对不稳定的C―O键的裂解上，这限制了木质素氢解的效率。采用水热法和湿浸渍法制备了多功能Pt/NbPWO催化剂。通过破坏碱木质素中的C―O键和C―C键，可以得到产率为18.02%的芳香族单体。该反应不仅可以断裂木质素聚合物中醚键，同时也可以断裂部分关键的C―C键。其氢解机理可能是丰富的Brønsted酸和Lewis酸位点参与了C―C的活化。此外，重点分析载体和Pt物种在Pt/NbPWO催化剂中的协同作用。

高熔点蜡(熔点 > 80 ℃)具有高熔点、高稳定性、低针入度、低迁移率以及耐磨坚硬等特点，在食品化妆、材料加工、电子机械、国防航空以及医疗领域有着重要的应用。但目前市场上的蜡产品熔点(50–70 ℃)较低。而我国高熔点蜡和特种蜡的需求量日益增加，预计缺口将突破70万吨。本文详细综述国内外合成高熔点蜡(熔点 > 80 ℃)的技术和工艺，包括聚乙烯蜡、费托蜡和生物质基蜡等，尤其对工艺涉及的催化剂和反应机理等进行了分析。聚乙烯裂解制备具有成本低、可以有效解决“白色污染”等优点，并且可以直接利用现有的催化裂化装置。但这一过程需要在高温的苛刻条件下进行，得到的蜡产品碳数分布较广、杂质较多，性能和色泽等方面不如直接乙烯聚合工艺的蜡产品。乙烯聚合蜡工艺则主要受限于复杂的工艺和昂贵的茂金属及非茂金属的配合物催化剂。高熔点费托蜡虽然性能优异并且技术也逐渐成熟，但其不同熔点的产品是通过不同长度碳链的精馏得到，产品是混合碳链的烷烃，仍然存在相对较宽的熔程。虽然生物质基蜡的合成研究刚起步，但其产物碳数单一，具有更窄的熔程；在合成过程中可根据需求选取特殊官能团的生物质平台小分子，还可根据特殊的使用场景对产品进行官能团化等。更重要的是，生物质基高熔点蜡更加契合世界各国的能源绿色可再生化和低碳化政策。展望了高熔点合成蜡的未来发展趋势，以期促进新的工艺和技术路线的涌现。

乳酸是制备可降解聚合物聚乳酸的主要单体。利用秸秆等原生生物质为原料经过化学催化转化制备乳酸对于碳减排具有重要意义。本工作利用同位素核磁和质谱详细探究了不同Lewis酸(Y³⁺，Sc³⁺，Al³⁺)催化纤维素制乳酸的反应选择性和机理。发现葡萄糖异构化为果糖的过程是决定纤维素制乳酸多步串联反应最终选择性的关键步骤，并明确了1, 3-二羟基丙酮生成乳酸经历了烯醇互变异构过程而非经典的1, 2-shift机理。

纤维素是木质纤维素生物质中最为丰富的组分，将其催化转化制备高附加值化学品在生物质资源化利用中占据极为重要的一席之地。由于纤维素中氧含量过高，需选择性地脱除部分氧原子才可获得满足当前化学工业对各类高值化学品的要求。近年来，针对纤维素以及由其衍生的关键平台分子葡萄糖和5-羟甲基糠醛(HMF)等催化脱氧的研究已引起广泛关注，并取得诸多重要进展。在此，我们总结了具有代表性的多相催化剂体系，讨论了利用氢解或脱水脱氧策略分别将纤维素和葡萄糖等分子中一个或多个C―O键裁剪制备乙醇、烯烃或己二酸等的研究。我们还着重介绍了HMF和其衍生的呋喃化合物选择性剪切C―OH/C＝O键或呋喃环中的C―O―C键分别制备二甲基呋喃和1, 6-己二醇等催化体系。此外，对各多相催化剂的作用机制和特定C―O断键机理也分别进行了探讨，以期深入理解纤维素及其衍生物的催化脱氧反应。

化学工业生产中，用氢气为还原剂，通过选择性加氢可以制备多种重要化学品。5-羟甲基糠醛是重要的生物质基平台化合物，而5-甲基糠醛是用途广泛的化学品。由5-羟甲基糠醛加氢得到5-甲基糠醛是一条非常理想的路径，但是选择性活化C-OH非常困难。本文设计并制备了Pt@PVP/Nb₂O₅(PVP: 聚乙烯吡咯烷酮)催化剂，该催化体系巧妙地结合了位阻效应、氢溢流和催化剂界面的电子效应，系统研究了该催化剂对5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛催化性能，在最优条件下，5-甲基糠醛的选择性可达92%。利用密度泛函理论计算研究了5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛反应路径。

甘油是重要的生物质基平台分子，可以从生物柴油生产过程中作为副产物大量获得。本文采用等容浸渍法，在氧化钛、三氧化二铝和氧化锆载体上制备一系列具有不同WO₃表面密度的负载Pt-WO_x催化剂，研究了它们在甘油选择氢解合成1, 3-丙二醇反应中的催化性能。实验结果表明，WO₃的表面密度显著影响这些催化剂的活性和1, 3-丙二醇选择性，它们均在1.5–2.0 W∙nm⁻²表面密度时表现出最优性能，表明分散的WO_x物种是影响Pt-WO_x催化剂性能的关键因素。通过原位红外CO吸附表征等方法发现Pt粒子与WO_x物种之间存在电荷转移和强相互作用，进而提高Pt-WO_x催化剂的甘油氢解转化为1, 3-丙二醇的活性。进一步比较甘油、1, 2-丙二醇和1, 3-丙二醇的氢解反应发现，1, 3-丙二醇的氢解速率常数低于甘油和1, 2-丙二醇，表明在Pt-WO_x催化剂上1, 3-丙二醇具有更高的反应稳定性，这跟Pt-WO_x催化剂具有较高的1, 3-丙二醇选择性相一致。结合氢气分压对甘油氢解活性表现出的火山型影响结果和在D₂/D₂O存在下，观察到的1, 3-丙二醇产物中仲碳与伯碳上的H原子数的比例(~1 : 2)，我们推测在甘油氢解合成1, 3-丙二醇反应中，甘油首先在Pt-WO_x催化剂上脱氢生成甘油醛中间体，然后甘油醛进一步脱水和加氢转化为1, 3-丙二醇。

水系锌二次电池凭借其安全性高、环境友好、成本低廉、能量密度较高等诸多优势，有望应用于下一代大规模储能系统。电池的发展依赖于电极材料，二氧化锰由于其高丰度、低成本、毒性小等优势，在水系锌二次电池领域得到广泛应用。本文将从二氧化锰的晶体结构、反应机理及电化学性能出发，对其在水系锌二次电池中的研究进展进行系统综述。特别地，针对其容量低、循环稳定性差等问题，本文从储能机理(包括嵌入-脱嵌机制和溶解-沉积机制)角度出发，总结相对应的优化策略，为先进水系锌锰二次电池的设计开发提供参考。

工业化无疑促进了经济的发展，提高了生活水平，但也导致了一些问题，包括能源危机、环境污染、全球变暖等, 其中这些所产生问题主要是由燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料引起的。光催化技术具有利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料、从水中制氢、降解污染物等优点，从而在解决能源危机的同时避免环境污染，因此被认为是解决这些问题的最有潜力的技术之一。在各种光催化剂中，碳化硅(SiC)由于其优良的电学性能和光电化学性质，在光催化、光电催化、电催化等领域具有广阔的应用前景。本文首先系统地阐述了各种SiC的合成方法，具体包括模板生长法、溶胶凝胶法、有机前驱物热解法、溶剂热合成法、电弧放电法，碳热还原法和静电纺丝等方法。然后详细地总结了提升SiC光催化活性的各种改性策略，如元素掺杂、构建Z型(S型)体系、负载助催化剂、可见光敏化、构建半导体异质结、负载炭材料、构建纳米结构等。最后重点论述了半导体的光催化机理以及SiC复合物在光催化产氢、污染物降解和CO₂还原等领域的应用研究进展，并提出了前景展望。

聚3-己基噻吩(P3HT)以其合成工艺简单、成本低廉的优势，成为有机光伏领域中最具吸引力的电子给体材料之一。然而，目前P3HT: 非富勒烯太阳能电池的光伏性能仍然较差。在本工作中，我们证明了与P3HT: 富勒烯太阳能电池相比，较快的电荷转移态的非辐射衰减速率(K_nr)是导致P3HT: 非富勒烯太阳能电池中较低的量子效率和较高的电压损失的原因。然后，我们研究了基于非富勒烯受体ZY-4Cl的太阳能电池的工作机理。研究结果表明与P3HT: 非富勒烯体系相比，P3HT: ZY-4Cl中K_nr的降低改善了器件的量子效率，同时降低了电压损失。K_nr降低的原因可以部分归因于电荷转移态能量的增加。此外，给体分子和受体分子之间的距离(DA间距)的增大也是K_nr减少的重要原因。因此，我们得出结论：为了提高P3HT太阳能电池的性能，需进一步降低器件的K_nr，这可通过增加活性层中的DA间距来实现。

采用K₃[Fe(CN)₆]作为锌镍电池的电解液添加剂，克服了锌阳极的变形。此外，通过一系列实验设计和表征，探索了电解液中金属锌与K₃[Fe(CN)₆]的反应机理。通过XRD (X-ray diffraction)和XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)测试，我们发现金属锌在KOH水溶液中能够与K₃[Fe(CN)₆]反应，将[Fe(CN)₆]^3–还原为[Fe(CN)₆]⁴⁻。添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池实现了更长的循环寿命，比不添加K₃[Fe(CN)₆]的锌镍电池长3倍以上。在相同循环次数下，改性电解质中锌阳极循环不仅形状变化较小，而且没有出现“死”锌现象，电极添加剂和粘结剂也没有发生偏析。此外，不同于一般的有机添加剂，K₃[Fe(CN)₆]的加入不仅不会增大电极的极化，还能够提高锌镍电池的放电容量和倍率性能。因此，考虑到这一改性策略有着较高的可行性和较低的成本，K₃[Fe(CN)₆]添加剂在锌镍电池的实际应用中具有极大的推广潜力。

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势，而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是，Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化，进而导致活性材料粉化，并从集流体上脱落，这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此，如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用，详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素，从而提出有前途的改性策略，以提高其可逆容量和循环稳定性。最后，对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点，阐明了Sb基负极材料未来的发展方向，从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。

相较于传统燃油汽车，电动汽车缓慢的充电速度始终制约了其进一步推广。为电动汽车实现“加油式”快速充电能够缓解充电桩的使用压力，增加电动汽车的应用场景和市场占有率。因此，亟需开发出具有快速充放电能力的高性能锂离子电池。石墨因其低廉的价格和优异的电化学性能已经在锂离子电池负极领域得到了广泛的商业化应用，然而其较低的嵌锂电位导致在快充过程中出现析锂，损害电化学性能的同时会带来安全隐患。因此，必须对石墨进行改良处理，以适应快充技术的需要。本文系统介绍了近年来石墨负极快充化改良领域的研究进展，从成分设计，形貌调控，结构优化，电解液适配等方面进行了评述，并总结了快充石墨面临的挑战，展望了其发展前景，为推动快充技术的商业化应用提供了借鉴。

近年来，锂金属电池由于具有较高的能量密度而成为储能领域的研究热点。电解液作为锂金属电池的“血液”发挥着至关重要的作用。在传统锂离子电池电解液中，锂金属负极与电解液之间的界面副反应严重并伴随着锂枝晶生长，从而导致安全隐患以及循环寿命缩短等问题。在解决锂金属负极问题上，电解液调控策略具有易操作性和有效性，因而在推动锂金属电池发展方面具有举足轻重的地位。氟代电解液是目前重要的研究方向，氟代电解液在循环过程中能够在电极表面形成富含LiF的固体电解质界面膜(SEI)；该界面膜不仅可以有效抑制负极锂枝晶的形成，并且在正极方面能够大幅提高电解液的氧化稳定性，从而提升高电压正极的适配性和锂金属电池的循环稳定性。氟代电解液中氟代溶剂/氟代锂盐的分子结构对电解液的溶剂化结构有重要影响。当氟代溶剂分子中氟原子的位置与数量不同时，氟代溶剂的物理化学性质也会随之发生变化，进而改变了电解液与电极的界面反应性。因此，氟代溶剂能够起到调制SEI膜成分和结构的作用，是决定电池性能的关键因素。本文总结了应用于锂金属电池的主要氟代溶剂，尤其是近几年来发展的新型氟代溶剂；着重介绍了高度氟代的溶剂分子作为局域超浓电解液的稀释剂，以及对溶剂进行精准分子设计得到的部分氟代溶剂等。此外，本文还分析探讨了氟代溶剂分子与电池性能之间的构效关系，展望了构建新型氟代溶剂分子的策略，希望能对电解液溶剂分子的结构设计以及构效关系的评估有一定的启发意义。

钾离子电池由于其低成本和丰富的钾矿产资源，在能量存储和转化领域极具应用潜力。金属硫化物理论容量高且材料种类丰富，在众多钾离子电池负极材料中表现突出。然而，金属硫化物存在的缺点，如导电性差、离子扩散率低、界面/表面传输动力学缓慢等，限制了其在储钾过程中的性能表现。在这篇综述中，我们系统的讨论和总结了金属硫化物作为钾离子电池负极的电化学反应机制、所面临的挑战和合成方法。其中，重点讨论了其常见的合成方法，包括模板法、溶剂热/水热法、固相反应法、静电纺丝法和离子交换法。这篇综述意在通过优化合成策略设计合成理想的组分和结构，来解决钾电负极材料存在的问题，最终得到高性能的钾离子电池负极材料。最后我们还对基于金属硫化物的钾离子电池负极的发展方向进行了展望。

化石燃料的燃烧和其他人类活动排放了大量的CO₂气体，引发了诸多环境问题。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可以储存间歇可再生能源，实现人为闭合碳循环，被认为是获得高附加值化学品和燃料的有效途径。电催化CO₂RR涉及多个电子-质子转移步骤，其中^*CO通常被认为是关键中间体。铜由于对^*CO具有合适的吸附能，已被广泛证明是唯一能够有效地将CO₂还原为碳氢化合物和含氧化合物的金属催化剂。然而，纯Cu稳定性差、产品选择性低、过电位高，阻碍了工业级多碳产品的生产。构筑Cu基串联催化剂是提高CO₂RR性能的一种有前途的策略。本文首先介绍电催化CO₂RR的反应路线和串联机理。然后，系统地总结铜基串联催化剂对电催化CO₂RR的最新研究进展。最后，提出合理设计和可控合成新型电催化CO₂RR串联催化剂面临的挑战和机遇。

电催化二氧化碳还原(ECR) 制备高值化学品被认为是在碳中和背景下实现可再生能源存储及降低CO₂浓度的一种有效策略。为了实现此目标，催化剂的开发与设计是ECR研究的关键。单原子催化剂(SACs) 因其独特的电子结构、明确的配位环境和极高的原子利用率，近年来在ECR领域引起了广泛关注。通过调节SACs的中心金属元素种类和局部配位结构，可有效调节SACs对CO₂和其还原中间体的吸附强度和催化活性。本文总结了SACs在ECR领域所取得的最新研究进展，重点讨论了SACs的配位结构及其与载体之间的相互作用对催化活性的影响以及相关调控策略，最后，提出了SACs应用于ECR所面临的机遇与挑战。

与传统的传感器设备阵列相比，由于结构更为简单，具有广泛检测兼容性的光纤系统逐渐成为分布式监测的有力候选者。然而，受工作机制的限制，大多数光纤传感器仍局限于对折射率等物理参数进行探测，一种用于环境化学监测的全光纤分布式传感系统亟待研发。本工作中，我们向化学气相沉积法生长的石墨烯光子晶体光纤(Gr-PCF)中引入了一种化学传感机制。初步结果表明，石墨烯光子晶体光纤可以选择性地检测浓度为ppb级的二氧化氮气体，并在液体中表现出离子敏感性。石墨烯光子晶体光纤与光纤通信系统的波分、时分复用技术结合后，将为实现分布式光学传感环境问题提供巨大的潜力和机会。

碳量子点以其多彩的荧光及廉价而丰富的制备原料引起人们的广泛兴趣。至今，已有大量关于碳量子点制备及其荧光性能直接利用的文献报道。若采用恰当的方法对碳量子点进行化学修饰，则可以将其转化为实用的精细化学品，从而拓展碳量子点的应用领域。本文报道了一种碳量子点阳离子表面活性剂的制备方法。首先，乙二胺四乙酸、二乙胺及双氧水的混合水溶液经水热处理，获得碳量子点(以OX-CQDs表示)，再以氯代正构十二烷对其进行季铵化修饰，获得新型碳量子点阳离子表面活性剂(以OX-CQDs-C₁₂H₂₅表示)。OX-CQDs-C₁₂H₂₅具有良好的降低水的表面张力和减小水接触角的能力，水的界面张力能降低至26.7 mN∙m⁻¹，其性能超过了一些新型的Gemini型阳离子表面活性剂；季铵化的修饰也大大提高了OX-CQDs对大肠杆菌的抑菌能力，低至0.41 mg∙mL⁻¹的OX-CQDs-C₁₂H₂₅溶液其抑菌率接近100%。表面活性剂，抑菌性和荧光性能赋予了OX-CQDs-C₁₂H₂₅的多种功能性。

形貌控制和异质结构建是提升光催化剂性能的有效策略。本文采用In₂O₃修饰三维纳米花MoS_x并构建S型异质结，为电子的传输提供了特殊的转移途径。通过合理调控In₂O₃的负载量，MoS_x/In₂O₃的最佳产氢速率能够达到6704.2 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹，是纯MoS_x的1.8倍。采用荧光光谱和电化学测试证实复合材料中内部电子和空穴对的分离效率得到了有效的提升，并利用紫外漫反射测试和羟基自由基实验推测了析氢机理。

5-羟甲基糠醛(HMF)的电催化氧化被认为是合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)最环保、经济和有效的方法之一，它可作为聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)的生物基前体。在这项工作中，我们通过低温溶剂热法合成了PtRuAgCoNi高熵合金纳米颗粒，并在不改变颗粒结构和组成的情况下进行了简易的处理以去除表面活性剂。负载在碳载体上的合金纳米催化剂无论是否含有表面活性剂在HMF电催化氧化为FDCA的过程中都表现出比商业Pt/C更好的催化性能。且表面活性剂的去除可以进一步提高其电催化性能，表明高熵合金纳米粒子在电催化和绿色化学中具有广阔的应用前景。

胶体量子阱(CQW)由于具有高色纯度、高光致发光量子效率、光色可调等优异的光电性能，近年来成为一种新型的光电材料，广泛用于制备发光二极管、激光、探测器、太阳能电池等半导体器件。其中，基于CQW的发光二极管(CQW-LED)因为具备极窄的光谱、极佳的色纯度、高效率、可溶液加工、可柔性化等优点，在显示和照明等领域展现出重要应用前景，受到学术界和工业界的广泛重视而成为研究热点。本文首先介绍了CQW-LED中的一些基本概念，包括CQW材料特性、LED器件结构、发光机理等；然后从CQW材料种类的角度出发，阐述了基于单核型、核/冠型、核/壳型、复杂异质结型、以及杂质掺杂型CQW-LED近年来的研究进展，并结合我们研究团队最近的工作详细的介绍了实现高性能CQW-LED的方法，包括对材料选取、设计策略、器件结构、器件性能、工作机理以及发光过程的分析；接着，介绍了CQW-LED的集成应用；最后探讨了CQW-LED目前面临的挑战及其未来的发展机遇。