电催化二氧化碳还原反应(E-CO₂RR)可在温和条件下将CO₂转化成高附加值燃料或化学品，近年来受到广泛关注，其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程，构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而，传统涂敷电极制备时，需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面，此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限，致使催化剂活性位利用率下降，同时在反应过程中电极表面容易粉化，造成稳定性下降，难以重复利用。因此，如何调控电极反应界面，提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应，不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力，还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等)，从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO₂RR的最新进展，分析了结构和表界面调控对E-CO₂RR性能的影响规律，并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO₂RR电极的发展进行了评述与展望。

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料，具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V)，且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好，被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而，SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%)，易导致材料颗粒粉化、脱落，严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来，人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发，阐述了该材料面临的主要瓶颈问题；继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面，系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略，并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳，最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。

金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g^-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极)，是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而，循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中，我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC，表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间，缓冲充放电中巨大的体积变化。此外，TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性，改善锂金属的成核行为，促进金属锂的均匀成核和沉积，抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明，在循环300圈以后，库伦效率仍保持在98%以上。此外，所得材料与LiFePO₄ (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。

液流电池因为具有高储能效率，低成本，以及可解耦的能源储存和功率输出设计，被广泛认为是适用于大型储能的首选技术。但是长期以来，液流电池在电网中的大规模部署一直受限于现有的金属基活性材料的高成本和较低的储能密度。因其潜在的低成本，丰富的原材料来源，高度可调的分子结构，具有氧化还原活性的有机分子作为潜在的液流电池活性材料，受到越来越多的关注。本文首先介绍了液流电池的工作机制，以提升非水系有机液流电池的储能密度的策略为重点，总结了非水系液流电池中有机活性材料的研究进展。并讨论了这些策略存在的问题和未来的发展方向。

氢气是一种清洁高效的能源载体，通过海水电解规模化制备氢气能够为应对全球能源挑战提供新的机遇。然而，缺乏高活性、高选择性和高稳定性的理想电极材料是在腐蚀性海水中连续电解过程的一个巨大挑战。为了缓解这一困境，需要从基础理论和实际应用两方面对材料进行深入研究。近年来，人们围绕电极材料的催化活性、选择性和耐腐蚀性进行了大量的探索。本文重点总结了高选择性和强耐腐蚀性材料的设计合成与作用机制。其中详细介绍了多种电极材料(如多金属氧化物、Ni/Fe/Co基复合材料、氧化锰包覆异质结构等)对氧气生成选择性的研究进展；系统论述了各种材料的抗腐蚀工程研究成果，主要讨论了本征抗腐蚀材料、外防护涂层和原位产生抗腐蚀物种三种情况。此外，提出了海水电解过程中存在的挑战和潜在的机遇。先进纳米材料的设计有望为解决海水电解中的氯化学问题提供新思路。

通过电催化实现可再生能源的存储与转化对于改善能源结构、保护生态环境、实现碳达峰和碳中和的国家战略具有重大意义。而开发低成本、高效的电催化剂成为全世界科学家共同面对的挑战。微生物在自然界中广泛存在，具有结构、组成和代谢丰富的特点，可以成为电催化剂的模板以及碳、磷、硫等非金属元素以及金属元素的来源，而且具有无毒、生产可重复性好、易于规模化等优点，已成为电催化剂制备的新趋势。对此，本文综述了微生物“智能”引导制备电催化剂的发展及在电催化析氢(HER)、电催化析氧(OER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原(CO₂RR)、锂电池(LBs)等领域的应用现状。希望有助于推动微生物代谢与催化剂微纳结构关系以及与催化反应的构效关系的深入理解，最后针对这类材料的问题挑战及其未来发展方向进行了探讨与展望。

由于具有高安全性和优异的循环稳定性，二氧化钛(TiO₂)作为负极材料被广泛地应用于锂离子电池领域。但是较差的导电性和离子传输速率限制了TiO₂的进一步应用和发展。鉴于此，我们以花状NH₂-MIL-125 (Ti)为前驱体和硬模板，成功合成出了具有花状结构的超细纳米TiO₂/多孔氮掺杂碳片(N-doped porous carbon)复合物(记为FL-TiO₂/NPC)。过程中所制备的纳米TiO₂-金属有机构架(Ti-MOF)展现出由二维褶皱多孔纳米片堆积、组装而成的花状结构。一方面，二维褶皱纳米片包含TiO₂纳米颗粒可以增大活性物质与电解液的接触面积；另一方面，氮掺杂多孔碳基体可以提高整体复合物的导电性和结构完整性。将所获得的FL-TiO₂/NPC作为负极组装成的锂半电池, 在0.5 A·g^-1、300圈后仍有384.2 mAh·g^-1以及在1 A·g^-1、500圈仍有279.1 mAh·g^-1的比容量。进一步性能测试表明，在2 A·g^-1、2000圈长循环测试后，其仍能保持256.5 mAh·g^-1的比容量和接近100%的库伦效率。该优异的电化学活性和稳定性主要起源于材料独特的花状结构。我们的合成策略为今后制备高储锂性能的金属氧化物/多孔氮掺杂碳负极提供了一种新的思路。

随着锂离子电池在动力和规模化储能等新能源领域应用的不断拓展，具有特殊功能且满足特定使用需求隔膜的设计准则、制备/改性方法及表征技术亟需系统深入研究。针对锂离子电池高性能和高安全性的要求，研究人员已通过结构设计和表面化学改性等策略优化了隔膜的本征特性，并通过系列表征技术探讨了隔膜的功能化改性对锂离子电池电化学性能的影响。基于以上背景，本文从离子传输、枝晶形核与生长、及安全性能三个方面详细探讨了隔膜对电池性能影响的关键因素及其改性方法，并系统总结了隔膜结构、物化特性、力学性能、热学性能以及电化学性能的表征技术，以期为功能隔膜的合理设计，从而优化锂离子电池性能提供理论和实践指导。同时，本文对隔膜未来的进一步研究和发展提出了展望。

由于水分解在绿色能源领域的重要作用，能够在碱性介质中进行析氢(HER)和析氧(OER)反应的双功能电催化剂具有重要的应用价值。本文报道一种具有丰富缺陷的表面改性NiCo₂O₄纳米线(NWs)，在碱性介质中作为一种高效的整体水裂解电催化剂。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，Co²⁺/Co³⁺比值的增加是表面修饰NiCo₂O₄纳米线具有优异双功能电催化性能的重要原因。结果表明，在1.0 mol·L^-1 KOH溶液中，通过有机配体主导的表面改性，优化后的NiCo₂O₄纳米线在电流密度达到10 mA·cm^-2时的HER过电位仅为83 mV，OER过电位仅为280 mV。更重要的是，有机配体表面改性后的NiCo₂O₄纳米线表现出了出色的水分解性能，在2.1 V电压下达到了100 mA·cm^-2的电流密度。目前的工作凸显了提高NiCo₂O₄ NWs尖晶石结构中Co²⁺含量对促进整体水裂解的重要性。

本文以三苯胺为原料，通过化学氧化法制备了具有电压敏感性的聚三苯胺(PTPAn)并将其成功应用到锂硫电池隔膜上。电导率测试结果表明，PTPAn/聚丙烯(PP)隔膜的离子电导率达1.56 mS·cm^-1；循环伏安(CV)测试结果表明，PTPAn/PP隔膜在3.5–4.2 V内具有氧化还原峰。在0.1C倍率下，采用PTPAn/PP隔膜和空白PP隔膜的锂硫电池在经200周循环后，放电比容量分别为424.8和407.2 mAh·g^-1，库伦效率分别为99.38%和98.59%，倍率测试表明(0.1C、0.2C、0.5C、1C)，采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池在不同倍率下放电比容量均高于采用空白PP隔膜的锂硫电池。与此同时，对采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池进行过充实验，在第4周过充时，充电比容量为843.1 mAh·g^-1，放电比容量为839.8 mAh·g^-1；第10周过充时，充电比容量为690.2 mAh·g^-1，放电比容量为669.2 mAh·g^-1。第16周过充时，电池的充电比容量为538.7 mAh·g^-1，放电比容量为512.9 mAh·g^-1。倍率过充测试表明，经过不同倍率过充实验后，采用PTPAn/PP隔膜的锂硫电池仍能正常工作，在1C倍率下过充，电池电压稳定保持在3.9 V，充电比容量为349.8 mAh·g^-1，放电比容量为328.7 mAh·g^-1。