设计了不同晶粒尺寸的Ni纳米粒子催化剂及其制备生物燃料的综合化学实验。通过常规浸渍法制备了Ni/CeO₂、Ni/CeO₂-SiO₂和Ni/SiO₂三种纳米催化材料，借助X射线粉末衍射(XRD)，X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)等对其进行了物理化学性质表征。通过参与催化剂合成、结构表征及其性能评价的全链条科研基本训练过程，不仅能够培养学生的综合实验技能，还能提升其科研素养，启发学生发现物质结构与性能之间内在规律，激发学生对探索未知科学领域的兴趣。该实验以“能源危机”为话题开展课程思政，加强学生对我国能源与环境危机现状的认识，引导学生从自我做起爱护环境。

用简单的共沉淀法制备了Co掺杂的Ni (OH)₂，通过Co/Ni的协同作用改善了材料的电化学性能。Co原子掺杂改善了材料形貌，暴露了更多的缺陷位，提高了材料的电化学活性。同时第一性原理计算表明，Co掺杂也改变了Ni的电子云分布，提高了材料的电荷传输和离子扩散性能。得益于适宜的Co掺杂量，Ni_0.84Co_0.16(OH)₂在1 A·g^-1的电流密度下质量比容量高达1 589.6 F·g^-1，同时组装后的非对称超级电容器在功率密度为21.33 kW·kg^-1时仍具有8.30 Wh·kg^-1的能量密度，显示出了良好的储能性能和循环性能。

Two new coordination polymers, [Ni(Hpdc)(bib)(H₂O)]_n (1) and {[Ni(bib)₃](ClO₄)₂}_n (2), were prepared by mixing Ni²⁺, 3, 5-pyrazoledicarboxylic acid (H₃pdc)/p-nitrobenzoic acid and 1, 4-bis(imidazol-1-ylmethyl) butane (bib) by a hydrothermal method, respectively. X-ray crystallography reveals a 2D network constructed by six-coordinated Ni (Ⅱ) centers, bib, and Hpdc^2- ligands in complex 1, while a 2D network is built by Ni (Ⅱ) and bib ligands in 2. Furthermore, the quantum-chemical calculations have been performed on'molecular fragments'extracted from the crystal structure of 1 using the PBE0/LANL2DZ method in Gaussian 16 and the VASP program.

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂原始样品(P-LRMO)，然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga₂O₃原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga₂O₃包覆层。电化学测试结果表明：含有3%Ga₂O₃的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能，其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^-1)下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^-1，在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^-1，优于未改性材料的90.7 mAh·g^-1，表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^-1的容量，容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%，证明Ga₂O₃包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且，G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后，电荷转移阻抗(R_ct)为107.7 Ω，远低于未改性材料的251.5 Ω，表明Ga₂O₃包覆层能提高材料的电子传输速率。

采用一步水热法合成泡沫镍(NF)自支撑的Co₉S₈/Ni₃S₂@NF杂化纳米棒阵列，其可以作为尿素氧化反应(UOR)和析氢反应(HER)的双功能催化剂。物相分析、形貌表征和电化学测试结果表明Co₉S₈/Ni₃S₂@NF异质结杂化纳米棒阵列通过Co₉S₈与Ni₃S₂之间的耦合异质界面促进了电子转移，提高了电荷转移速率。同时，该催化剂的粗糙表面使其展示出优异的超亲水性和超疏气性，有利于气体输送以及电解液扩散。在UOR和HER中，该催化剂分别在120和103 mV的低过电位下就能达到100和10mA·cm^-2的电流密度。此外，利用合成的Co₉S₈/Ni₃S₂@NF电极同时作为阴极和阳极，当电流密度达到100 mA·cm^-2时双电极电解池的运行仅需要1.57 V的低电压，并且在20 mA·cm^-2电流密度下稳定运行27 h，无明显活性衰减。

采用熔盐法制备出铝掺杂的钛酸锶(Al-SrTiO₃)，并通过水热法及气相氮化法在Al-SrTiO₃表面紧密负载了Ni₃N助催化剂。通过对Ni₃N/Al-SrTiO₃体系载流子转移特性表征以及密度泛函理论计算分析发现，Al-SrTiO₃上的光生电子在费米能级差的作用下可快速转移到Ni₃N上，有效促进了Al-SrTiO₃上光生载流子的分离，从而提高其分解水析氢性能。光催化析氢测试结果表明，当Ni₃N助催化剂负载量(Ni与Al-SrTiO₃的质量比)为7%时，Al-SrTiO₃的析氢速率相对负载前提升了82倍。

通过Sr、Ni共掺杂PrBaFe₂O_5+δ(PBF)制备了中温固体氧化物燃料电池PrBa_0.5Sr_0.5Fe_1.6Ni_0.4O_5+δ(PBSFN)阴极，并对其性能进行测试。X射线衍射(XRD)图表明，高温煅烧的PBSFN阴极形成了立方钙钛矿结构。在950℃下，混合共烧的PBSFN阴极与La_0.9Sr_0.1Ga_0.83Mg_0.17O_3-δ(LSGM)电解质表现出良好的化学兼容性。350℃时，在空气气氛下，PBSFN电极材料的电导率最大，其值为681 S·cm^-1。800℃时，在空气气氛下，PBSFN阴极在LSGM电解质上的极化阻抗为0.033 Ω·cm²。Sr、Ni掺杂PBSFN阴极的高频阻抗(R₁)仅为低频阻抗(R₂)的6.4%，表明Sr、Ni掺杂PBSFN提高了阴极的电荷转移效率。此外，该阻抗特性与密度泛函理论计算的PBSFN氧空位形成能结论一致。800℃时，以H2为燃料测试的单电池的最大功率密度为647 mW·cm^-2。特别地，采用PBSFN为阴极的单电池在100 h内保持了良好的功率稳定性。

在镍钴铝酸锂正极材料Li[Ni_0.8Co_0.15Al_0.05]O₂(NCA)制备过程中表面遗留的碱性物质会严重影响其循环稳定性能，针对这一难题，提出使用Y(PO₃)₃对其进行表面包覆改性，利用Y(PO₃)₃与表面残留的LiOH反应消除表面残碱，并探讨包覆改性对NCA整体性能的影响机制。测试分析结果表明，在低温煅烧过程中前驱体表面会形成均匀致密的Y(PO₃)₃和LiPO₃包覆层，LiPO₃有较高的离子电导率，双包覆层能够防止活性物质在电化学循环过程中与电解液相互接触时发生有害副反应，提高电极材料的循环稳定性。其中Y(PO₃)₃包覆量(质量分数)为1%的样品在0.1C下的首次库仑效率从未改性样品的78.65%提高到88.50%，在1C下循环150圈后容量保持率从59.38%提高到85.33%，相比于未改性样品具有更高的首次库仑效率和更优异的循环性能。