本研究团队致力于电化学能量转换与储存材料、器件及装置的研究和开发，重点开展质子交换膜燃料电池催化材料和核心器件（膜电极MEA/CCM）、电解水制氢催化材料及锂离子电池电极材料的制备及应用等研究工作。目前，已承担10余项国家级项目，已在Nat. Commun.、Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nano Lett.等国内外期刊上发表300余篇SCI学术论文，已申请国家发明专利近104件，其中授权84件；已培养和正在培养博士、硕士研究生138名。取得的一些代表性成果如下：

1）证明了本征五元环（C5）拓扑缺陷对碳材料电化学反应性的重要影响。近年研究表明，碳晶格拓扑变形可有效调节碳基面的荷电状态，但能否促进碳材料的电化学反应性仍缺乏有效证据。对此，团队首次采用理论计算和实验验证相结合的方法，开展了碳晶格拓扑缺陷工程电化学反应性研究，证明了碳五元环（C5）拓扑缺陷对氧还原等电化学反应性有显著的提升作用（Angew Chem Int Ed 2019,58,3859,ESI高被引论文）。研究成果为今后进一步提高碳基催化剂催化性能指出了新的研究方向，并为设计新型高性能纳米碳基能源转换与储存材料提供新的思路，将有力促进碳基纳米材料在诸多能源转换与储能装置中的应用。鉴于该研究成果的突出影响，受邀在国际顶级期刊（Adv Funct Mater,2020,30,2001097, ESI高被引论文）撰写关于碳拓扑缺陷评述。

2）构建了多阴离子调控的Pt族金属基催化材料。理论计算表明，非金属元素键合的Pt族金属位点的电子态和配位环境可拥有最佳的吸脱附能，有利于氧及氢析出反应。但Pt族金属的化学性质不活泼，使其只能在极端条件下才能被少量合成，使Pt族金属的多阴离子络合充满挑战。对此，团队借助绿色植酸的强络合作用首次在温和环境下合成出富P型（PtP₂、RuP₂、IrP₂、RhP₂等）纳米催化材料（Angew Chem Int Ed 2017,56,11559, ESI高被引、热点论文；Energy Environ Sci 2019,12,952,ESI高被引、热点论文，中国百篇最具影响国际学术论文）。这些工作为阴离子调控Pt族金属-非金属催化剂的合成和应用提供了科学指导。鉴于该研究成果的重大影响，受邀在国际顶级期刊Adv Funct Mater 2020,30,2004009（ESI高被引论文和热点论文）撰写关于磷化物催化剂活性起源及结构调控的评述。研究成果获得中国工程院外籍院士孙学良教授高度评价，他在国内《物理化学学报2021,37,2011077》上专门为此项工作撰写亮点评述。

3）首次利用熔融盐辅助法同步可控构筑了Ru/RuS₂类型异质结构催化材料。质子交换膜（PEM）电解水制氢是未来重要的产氢技术之一，但制约其发展的一大因素是其两极均需要昂贵的Pt/Ir基催化剂来加速迟缓的动力学过程。Ru作为相对廉价的贵金属基催化剂与催化中间体结合强度较为适宜，但其催化活性和稳定性还有待进一步提高。而且，由于常规的高通量杂原子源难以获得所需的异质结构体系，导致目前对钌基催化剂界面效应的研究还较为缺乏。为此，团队通过理论计算揭示了Ru/RuS₂异质结构的优越性和活性来源，并通过共晶盐体系合理构筑出层状Ru/RuS₂异质结构催化材料。测试结果显示，该催化材料在酸性介质下表现出快速的析氧和析氢催化反应动力学及出色的耐久性（Angew Chem Int Ed 2017,56,11559, ESI高被引论文）。采用此方法，团队还进一步合成出了Ru/Ru₂P （InfoMat,2022,4,e12287，ESI高被引论文）和Os/OsS₂（ACS Catal,2022,12,13312）等高效的异质结构催化材料，证明了该方法的普适性。该项研究工作将为可控构筑高性能异质结构催化材料提供科学指引。

4）通过引入功函数（WF）揭示了异质界面引起的电子转移和电荷平衡效应的内在驱动机制。界面化学在调节内在催化活性方面发挥着重要作用。团队通过理论计算发现，功函数作为反映电子逃逸能力的参数，决定了Os-OsSe₂异质结构界面内建电场（BEF）和电荷转移的方向。同时，在内建电场的驱动下，硒（Se）作为一种可控的电荷调制器，促进了Os和OsSe₂氢键结合能的双向优化，使Os-OsSe₂异质结构拥有高本征活性的析氢反应位点，从而加速了电化学裂解水析氢反应动力学。通过在界面电化学析氢反应中引入功函数，不仅可以从根本上阐明电子转移和界面平衡的内在驱动机制，而且也很好地解释了异质结构电催化剂析氢反应的活性起源。所构建的Os-OsSe₂异质结构催化材料在酸性和碱性介质中均表现出优于商业Pt催化剂的析氢反应活性（Angew Chem Int Ed 2022,61,e202208642,ESI高被引，热点论文）。该工作丰富了铂族金属催化剂的研究体系，而且突出了功函数在诱导界面内建电场引起的电荷平衡效应方面的重要作用，并据此提出了电催化剂的电子结构优化策略。

5）通过打破催化材料结构对称性，调控界面特性、配位环境和电子性质，有效提高了Ru基催化材料的催化性能。团队通过引入Se原子部分替位RuS₂中的S原子，诱导形成结构不对称的Ru₂(S₃Se)催化材料。由于Se和S在原子半径、金属丰度和电离能上的差异，引入的Se原子不仅改变了RuS₂对称的原子周期结构（如八面体排列和键长），而且还起到电荷调整剂的作用，优化了Ru活性位点附近的电子构型和配位环境，促进电子向Ru积聚；同时，Se原子的引入也加强了阴阳离子间的耦合作用，进而显著降低速率决定步骤的热力学势垒和催化材料的快速酸水氧化动力学（Energy Environ Sci, 2024, 17, 1885）。此外，通过合作，团队还构建了富缺陷FeO_x担载的Ru团簇(Ru/Ru_xFe_3-xO₄)催化剂。由于该催化剂中存在大量的异质界面和未配位的金属位点（如多个活化层、大量的Fe(Ru)-O界面、部分原子级分散的Ru），打破了Fe_3-xO₄晶格的对称性，改变了异质界面的电荷分布，增强了Ru团簇与Fe(Ru)O_x之间的电子转移。理论计算表明，相比于Fe₃O₄和Ru，Ru/Ru_xFe_3-xO₄的OH吸附能显著增强；而且，Ru原子向FeO_x界面分散导致电子重排，也有效调节了表面活性位点和中间体的吸附能，促进了HER/HOR反应。实验结果表明，在碱性环境下，催化剂具有高的HER和HOR活性，其质量活性远超商用Pt/C催化剂（Nano Letters, 2024, 24(3), 1015）。这些研究证实通过打破对称性来提高催化剂的催化性能是可行的。

6）通过结合单原子催化和强金属-载体相互作用（SMSI）优势，并利用Pt族金属（PGM）活性物种和M-N-C体系中M单原子位点间的协同作用，实现了Pt族金属活性物种的原子/团簇/超小纳米粒子分散。长期以来，研究者们一直致力于降低催化剂中的贵金属载量，相关策略包括合金化和尺寸工程等。而选择合适的载体，通过强的载体-金属相互作用来调节负载PGM物种尺寸，是制备高效PGM基催化剂的一种简单有效的方法。在催化剂合成过程中，活性PGM纳米物种通常会由于奥斯瓦尔德熟化或缺乏约束而发生严重团聚，导致活性位点数量和催化效率降低。因此，如何有效提升PGM的原子利用率仍然是一个很大的挑战。我们预测，由于M-N-C框架上单原子M位点对PGM存在强的相互作用，PGM物种过度生长和团聚现象将得到有效抑制，使所制备的PGM@M-N-C催化剂将具有理想的PGM尺寸分布和超低的PGM载量。为此，团队利用MOF衍生的M-N-C框架作为基底，将高本征活性的PGM物种引入到单原子M-N-C体系中，采用逐步构筑的方法制备了PGM@M-N-C材料。得益于高度分散的MN4单原子位点（M）对PGM物种的强锚定作用，PGM物种的团聚被有效抑制。通过XPS和同步辐射等谱学研究及理论计算表明，单原子M位点与负载PGM间存电子转移和强的相互作用。电化学性能测试表明，所获得的PGM@M-N-C催化剂具有多活性中心及超低的PGM载量和适宜的尺寸，在酸、碱介质中均表现出优异的ORR、HER或HOR性能（Nano Energy, 2024, 121, 109247; ACS Catal,2023,13,4012; J Energy Chem,2022,65, 48; Nano Energy, 2021,88,106221; Nano Energy, 2019, 59,472）。

7）开创了一种通过氯化碳化物获得石墨烯及同源过渡金属参杂碳材料的新方法。首先，团队在常压下通过氯化反应彻底去除二维晶体金属碳化物（MxCy）中的M组分将其快速转化为石墨烯，并通过控制反应温度实现了石墨烯层数的可控。采用此完全氯化法制备的石墨烯成本低、缺陷少、质量高且层数可控（Adv Funct Mater,2017,271604904）；此外，通过类似完全氯化法在中低温（200-1000℃）、常压条件下还可将SiC、TiC等无定形碳化物（a-M_xC_y）快速转化为石墨烯，并揭示了其作用机制。同时，实验证明了该方法具有普适性。该研究成果打破了一直以来只有晶体碳化物才能用来合成石墨烯的传统思维（Sci Rep-UK 2013,3,1148; Sci Rep-UK 2014,4,5494; ZL201410289271.3; ZL201210419348.5）。在上述研究基础上，通过非完全氯化方法获得一系列碳化物衍生多功能碳材料，即通过控制Cl₂用量调控碳化物的氯化反应进程，有意保留部分M组分，实现同源M自掺杂石墨烯、碳纳米管等纳米碳材料的可控制备，解决了金属原子与石墨烯中碳原子半径不匹配而难以实现石墨烯金属掺杂的科学难题；或保留部分M_xC_y，获得具有核壳结构的新型MxCy@CDC纳米复合材料。同时，亦证明这一创新策略的普适性（Adv Funct Mater 2017, 27, 1604904; ACS Energy Lett 2017,3,184; Nano Energy 2017,36,374; Carbon, 2018, 139,1144; ZL201611209424.4）。

8）相反，如果能从金属碳化物（M_xC_y）中提取碳原子而保留过渡金属（M）原子，则有可能原位合成出同源金属M/MxCy异质结构材料。尽管目前通过调控合成条件（例如，温度、氯化时间及χ值等）或选择碳化物的种类实现了对CDC产物的形貌、微观结构及其电化学性能的有效地调控，但从碳化物中提取碳原子却一直难以实现。这主要是因为，相比于传统提取非碳M原子合成CDC材料，对于提取碳原子的研究尚处于探索阶段。更重要地是，反应热力学及动力学原理不明确，缺乏重要的理论依据。为此，团队尝试对氯化碳化物反应热力学参数进行精细调控时发现，如果大幅降低χ，并控制反应温度，进行非完全氯化反应，则可实现碳化物的碳原子提取。以碳化钨（WC）为例，当将χ降低至1.3（反应温度1000℃，反应时间4h），申请人成功提取了碳化钨（WC）中的碳原子，从而获得同源金属原子构成的金属钨/碳化钨（W/WC）异质结构。同时发现，在提取钨原子过程中WC结构发生了重排，由纳米颗粒状转变成了纳米带。构筑的W/WC异质结构材展现了高的析氢和光电催化性能。该研究首次实现了碳化物的氯化法碳提取，并为通过氯化碳化物系统地原位制备金属/金属碳化物异质结构材料提供了创新性思路（Nanoscale Horiz.,2019,4,196, ESI高被引论文）。

9）在应用研究方面，在科技部863项目及省市科技项目的支持下，研发出了具有自主知识产权的高性能燃料电池芯片（CCM），成功应用于KW级大功率燃料电池发动机，并实现向美国大批量出口CCM产品；同时，还参与研制出了增强型燃料电池复合质子交换膜及其小试生产线。