理論方面：
1）染料敏化太陽(yáng)能電池研究
能源短缺和環(huán)境污染是制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的難題，如傳統(tǒng)能源枯竭、大氣土壤破壞及溫室氣體排放等問(wèn)題。這些問(wèn)題將迫使人們通過(guò)改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)來(lái)解決。通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用清潔無(wú)污染的可再生性新能源—太陽(yáng)能，是解決能源及環(huán)境問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
本方向主要采用理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式研究染料敏化太陽(yáng)能電池，利用量子化學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)等分子模擬技術(shù)進(jìn)行微觀機(jī)理研究同宏觀染料敏化太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)結(jié)合，設(shè)計(jì)與表征一系列基于全新非貴金屬中心敏化劑和純有機(jī)染料敏化劑。主要研究敏化劑光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，表征敏化劑的紫外/可見(jiàn)光吸收光譜范圍及吸收強(qiáng)度；研究敏化劑電子注入半導(dǎo)體機(jī)理，闡明受光激發(fā)電子注入半導(dǎo)體方式及注入時(shí)間，遴選利于表面吸附、結(jié)合力強(qiáng)、電子傳輸便利的敏化劑吸附基團(tuán)；研究敏化劑還原再生機(jī)理，設(shè)計(jì)與改進(jìn)新型敏化劑在電解液中的還原性能。本方向的研究可為開(kāi)發(fā)低成本、高效率、無(wú)污染的染料敏化太陽(yáng)能電池提供理論與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。該研究方向已完成的理論工作包括多吡啶釕敏化劑、非貴金屬銅、鐵敏化劑分子的理論設(shè)計(jì)與表征等工作，已有多篇成果已經(jīng)發(fā)表在國(guó)際期刊J. Mater. Chem. C、J. Phys. Chem. C、J. Phys. Chem. A、等。近期與香港科技大學(xué)楊世和教授合作，理論與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一系列以dithiafulvenyl unit為供體的新型純有機(jī)敏化劑分子，效率達(dá)到8%以上，目前成果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志Org. Lett.。前期的工作積累為本方向后期的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)并提供了直接理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
2）金屬及金屬氧化物表面催化機(jī)理研究
設(shè)計(jì)高效率、高選擇性、綠色環(huán)保催化劑是當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域綠色化學(xué)的支柱之一，但由于催化劑表面反應(yīng)的復(fù)雜性，以及實(shí)驗(yàn)條件的局限性，目前對(duì)表面催化反應(yīng)機(jī)理還存在許多未知，制約了建立在催化反應(yīng)基礎(chǔ)上的能源工業(yè)和整個(gè)化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展。因此，系統(tǒng)而深入的理論研究，有助于從原子層面上認(rèn)清催化劑表面反應(yīng)機(jī)理以及決定其催化活性的本質(zhì)因素，為相應(yīng)催化劑設(shè)計(jì)及加工工藝的改進(jìn)提供指導(dǎo)。
本方向主要采用計(jì)算模擬技術(shù)，研究催化劑表面反應(yīng)機(jī)理、表面結(jié)構(gòu)、活性位、抗中毒性等微觀機(jī)理和性質(zhì)。從原子水平上對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行完整的動(dòng)力學(xué)描述，找出反應(yīng)活性和選擇性的控制步驟，認(rèn)清表面結(jié)構(gòu)敏感性對(duì)反應(yīng)機(jī)理的影響，彌補(bǔ)了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法的不足，豐富了表面催化機(jī)理的研究手段，為表面催化理論增加了新內(nèi)容。目前該方向在ACS Cataly.、ACS Appl. Mater. Inter.、Catal. Sci. Technol.、ChemCatChem、Langmuir等國(guó)際期刊上發(fā)表論文10余篇。
3）碳捕獲及儲(chǔ)能材料理論研究
能源儲(chǔ)存和溫室氣體減排面臨巨大的挑戰(zhàn)。碳基材料及有機(jī)金屬骨架材料的發(fā)展為解決碳捕獲及儲(chǔ)能問(wèn)題提供了一種選擇。借助于量子化學(xué)及分子力學(xué)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究這些小分子氣體在多孔材料中的吸附行為，有助于設(shè)計(jì)新型多孔吸附材料，以及深刻認(rèn)識(shí)混合氣體在吸附材料中的競(jìng)爭(zhēng)吸附等。
本方向主要采用密度泛函理論、分子動(dòng)力學(xué)及蒙特卡洛模擬的理論方法，采用Gaussian 09、VASP、Materials studio、Music及Lammps等軟件程序探究CH4，CO，CO2，H2O等小分子氣體以及它們的混合氣體在多孔材料中的吸附行為。具體包括各種多孔材料的孔隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、氣體分子與吸附材料穩(wěn)定性分析、吸附材料的電子結(jié)構(gòu)分析、小分子氣體與骨架材料之間的相互作用方式、骨架材料的儲(chǔ)存能力評(píng)估、吸附/解吸過(guò)程中的能源消耗和競(jìng)爭(zhēng)吸附能力等。目前該方向在Nanoscale、J. Mater. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys.上發(fā)表論文。
實(shí)驗(yàn)方面：
4）功能化納米纖維的設(shè)計(jì)合成
基于靜電紡絲技術(shù)可控制備多種有機(jī)納米纖維、無(wú)機(jī)陶瓷納米纖維、有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合納米纖維，研究其在催化、重金屬離子吸附、過(guò)濾等方面的應(yīng)用。
5）多級(jí)耦合結(jié)構(gòu)納米材料的制備與應(yīng)用
利用二次化學(xué)處理方法，可控制備多級(jí)耦合結(jié)構(gòu)納米材料，并研究其在傳感、FET等器件領(lǐng)域的應(yīng)用，為新型低能耗高效半導(dǎo)體器件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
6）碳及導(dǎo)電高分子基納米材料的合成及應(yīng)用
新型碳納米材料及導(dǎo)電高分子微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成，及其在催化、新能源方向的應(yīng)用。