以探究不同杂质对化学物质结晶的影响为出发点，从生活中取材，研究晶体生长过程中的影响因素，得到不同形貌的晶体，并在此基础上设计出结晶山水景观实验。本实验从宏观与微观角度研究了不同杂质对晶体生长的影响，将化学科学与艺术相结合，可应用于化学科普。本实验操作简单、成本经济、安全性高，适合不同年龄段的人群参与。本实验有利于激发人们对化学的兴趣，提高人们对化学研究的积极性，拉近普通人群与化学科学之间的距离。

配位作用，是化学中一个重要的概念，是一种分子、原子、离子之间的相互作用，基于这种作用力形成的化合物称为配合物，从千年前的古法染布技艺到当今化学工业与生活中，配位化学都起着重要的作用，而大众对于配位化学的认知程度有限。本科普实验借鉴我国传统媒染工艺，选用植物色素(茜素、苏木素等)对植物纤维染色，展现“媒染”背后的配位化学。通过该色素与媒染剂中的金属离子络合呈现配合物的丰富颜色；通过对比实验展示有、无配位作用的染色、固色效果，体现配位化学的重要作用；并基于我国非物质文化遗产手工艺——扎染，呈现出自创扎染作品，让人们感受化学之美的同时也切身感受匠人智慧和中国手工艺的魅力。同时，结合生活实际，设计居家实验方案(以洋葱皮煮水制作染料)，便于大众居家实验，体现出实验的可推广性。设计适合幼儿及小学生、初高中生、大学生及公众的科普活动。本科普实验将化学、艺术与文化紧密结合，呈现效果具有可观赏性，且过程绿色安全、无毒无害。

缩短沸石材料的微孔孔道能有效提升客体分子的扩散传质性能。但目前一维L沸石(LTL)的合成中，缩短其沿一维微孔孔道方向(c轴方向)的长度至20到50 nm仍是一个挑战。本文首次在简单无机体系中通过加入纳米棒簇状L沸石作为晶种，快速(仅需4 h)合成了一种新型的L沸石介观结构晶体，且无需外加任何晶化修饰剂与模板剂。该介晶呈现出一种由超薄(约29 nm)的圆盘纳米晶沿c轴定向堆叠而成的盘簇形貌。这一独特的晶种诱导策略能够有效解耦L沸石的成核和生长阶段，为精确调控每个阶段的晶化行为以获得所需形貌结构提供了更大的操作空间。通过分析合成体系中介观尺度的晶核和微观尺度的基本构建单元衍化规律，实现了对晶种具体作用及衍化规律的解构：晶种溶解出的环笼结构加速了凝胶有序化，缩短了诱导期；而晶种溶解后的残余部分为生长期提供了密集的初始晶核，导向了新型盘簇结构的形成。通过对沸石生长条件进行调节，证实了其生长期存在蠕虫状前驱颗粒组装的行为，并实现了对盘簇中圆盘沿c轴方向厚度在18到55 nm范围内的精细调控。此外，通过选择直径为0.43到4.5 nm的系列模型分子作为吸附质，证明了该超短c轴样品在气相和液相体系大幅增强的吸附应用潜力。样品在小分子的扩散速率和大分子在气相的吸附量方面确实具有优势。在实际应用中，该样品在芳烃的吸附和分离以及染料和蛋白质的吸附方面具有一定的优势。

Metal-organic framework (MOF) MIL-101 and surface plasmon polariton (SPP) supported gold nanoparticles (Au NPs) hybrid systems were developed as a highly sensitive and reproducible surface-enhanced Raman scattering (SERS) detection platform, in which a green electrostatic self-assembly technology was adopted to construct the substrate. In an aqueous solution, the electronegativity of the particles can be used to prepare the composite substrate without any surface modifier. Due to the enrichment capacity of MIL-101 and the electromagnetic enhancement from Au NPs, the well-designed MIL-101/Au composites possessed ultrahigh sensitivity with the detection limit of Rhodamine 6G (R6G) as low as 10^-10 mol·L^-1. Meanwhile, the substrate exhibits high stability, excellent reproducibility, and recyclability. Additionally, the novel substrate can be explored for direct capture, and sensitively detect pesticide residues such as thiram.

析氧反应(OER)是电解水的关键反应之一。因此，高效的析氧反应电催化剂对水的分解至关重要。本研究工作基于泡沫镍(NF)基底，成功构筑了新型FeCoCrMnBS高熵氢氧化物(HEH)催化剂。FeCoCrMnBS HEH具有由大量非晶结构的超薄纳米片构成的多孔形态。获得的FeCoCrMnBS/NF电极在碱性介质中表现出优异的OER电催化活性，在100 mA∙cm⁻²下只需要290 mV的过电位。此外，该催化剂在10 mA∙cm⁻²下显示出超过120 h的耐久性。增强的催化性能受益于独特的非晶结构以及B与S之间的正协同作用。该协同作用能够促进了硫酸盐的形成，从而削弱了OER中间体在催化剂表面的吸附。本研究为设计高效的OER电催化剂提供了一种新的设计策略。

在材料化学的教学过程中，笔者将实验室制备的锑化铟孪晶纳米结构及其相关结构表征数据引入到授课内容之中，并借助VESTA软件模拟出锑化铟孪晶纳米结构的模型。通过在课堂上对VESTA软件的实时操作，生动展现了不同角度以及不同显示形式的三维孪晶结构。这种“理论知识讲解+软件操作演示+科研成果案例”相结合的模式，不仅可以加深学生对孪晶结构的理解，还能激发学习兴趣，提升运用科学工具解决实际问题的能力，实现课堂教学与科研探索的相辅相成。

同时提升体相和表面电荷分离与利用效率对于实现高效光催化析氢反应至关重要。本研究采用溶剂蒸发策略，将NiCr₂O₄纳米片负载于孪晶Cd_0.5Zn_0.5S (T-CZS)纳米颗粒表面，成功制备了NiCr₂O₄/T-CZS复合材料。经过优化，6% NiCr₂O₄/T-CZS在以聚乳酸(PLA)塑料为牺牲剂的NaOH溶液中析氢速率(r_H2)达到81.4 mmol∙h⁻¹∙g⁻¹，这一显著提升主要归因于T-CZS由纤锌矿Cd_0.5Zn_0.5S (WZ-CZS)和闪锌矿Cd_0.5Zn_0.5S (ZB-CZS)组成，二者能带结构存在微小差异，使得WZ-CZS与ZB-CZS之间及T-CZS与NiCr₂O₄之间形成了S型电荷转移路径，从而促进了体相和界面电荷快速分离，确保了具有强还原能力的电子参与析氢反应(HER)。此外，借助NiCr₂O₄的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，增强了体系对紫外-可见-近红外光的吸收，产生的热电子进一步促进了HER。同时，NaOH溶液增强了空穴的氧化反应驱动力，间接提高了HER动力学。研究还发现，其它金属铬酸盐(MCr_xO_y)，如CoCr₂O₄、AgCrO₂、Bi₆CrO₁₂、BaCrO₄、ZnCr₂O₄、CdCr₂O₄、CuCr₂O₄等，也能不同程度提高T-CZS析氢活性。上述研究结果表明，同质异质结中体相与界面S型电荷转移路径能够实现高效光催化产氢与废塑料降解过程的有效协同，为解决能源与环境挑战提供了新的思路。

电池内部不可控的枝晶生长问题严重地影响着电池的循环性能和安全性能，这对于锂金属电池的实际应用是一个严峻的挑战。尽管已有较多的实验和理论研究工作聚焦于电极间锂离子各向异性输运特性对枝晶形貌的影响，但仍有一些开放性的问题有待进一步研究，例如，如何将枝晶生长的动态演变与电解液性质、电势分布或隔膜多孔结构诱导的锂离子各向异性输运关联起来。我们通过将锂离子在电解液中的扩散系数(D_L)表示为二阶张量的形式并进行相场模拟，发现D_yy : D_xx比值的增加，以及电势诱导的电极/电解液界面锂离子快速扩散层均可以降低界面处锂离子浓度梯度和电势梯度，从而减弱枝晶生长的驱动力。我们还发现隔膜基体与y方向之间夹角的增大也会显著促进电解液中的锂离子各向异性输运特性，以利于抑制枝晶生长。籍此本文提出设计D_yy : D_xx = 10 : 1的电解液和基体倾斜角为arctan(0.5)的隔膜用于锂金属电池。该相场研究有望为设计具有抑制枝晶能力的电解液或隔膜提供指导。

由于电催化剂中的非晶区和结晶区具有不同的物理化学性质，因此非晶化/结晶化工程成为提高电解水催化动力学的重要策略。然而，在微观环境中有效地调控催化剂的结晶度仍然是一个严峻的挑战。本文介绍了一种可调节结晶度的新型CrS/CoS₂异质结构，该异质结对氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER)都具有高效的催化活性。Cr―S―Co键的重新分配引起的d带中心移动有助于调节中间体H*和OOH*在催化剂表面的吸附能力，从而优化HER和OER的决速步骤。在最佳条件下，非晶态CrS和高度结晶的CoS₂异质结(A-CrS/HC-CoS₂)在HER和OER均表现出优异的催化活性，分别为90.6 mV (10 mA∙cm⁻²，HER)和370.5 mV (50 mA∙cm⁻²，OER)。非晶/高晶结构有利于A-CrS/HC-CoS₂在水电解过程中的结构和成分演变，因此具有出色的稳定性。作为甲醇辅助节能制氢装置中的双功能催化剂，A-CrS/HC-CoS₂仅需1.51 Ⅴ的低槽电压即可达到10 mA∙cm⁻²的电流密度，证明其是理想的金属基催化剂的候选材料。本研究为双功能过渡金属化合物电催化剂在非晶态/晶态异质结构中通过结晶度调控来提高催化活性和稳定性提供了重要启示。

以泡沫镍(NF)负载的MnCoNi层状双氢氧化物(MnCoNi LDH)纳米针阵列为衬底，通过湿化学三步法成功制备出Co-Ni-S多金属硫化物负载的MnCoNi LDH@Co-Ni-S/NF非晶空心多面体纳米复合材料，该材料具有优异的电催化析氧性能。电化学测试结果显示，在1.0 mol·L^-1 KOH溶液中，仅需248 mV的过电位就能输出50 mA·cm^-2的电流密度。此外，所构建的MnCoNi LDH@Co-Ni-S/NF非晶空心多面体电极在40、60和80 mA·cm^-2下均能连续稳定工作至少20 h，充分表明该电极具备良好的长循环稳定性。