理論方面：
1）染料敏化太陽能電池研究
能源短缺和環(huán)境污染是制約經濟和社會可持續(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題。這些問題將迫使人們通過改變現有的能源結構來解決。通過開發(fā)和利用清潔無污染的可再生性新能源—太陽能，是解決能源及環(huán)境問題并實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
本方向主要采用理論與實驗結合的方式研究染料敏化太陽能電池，利用量子化學計算、分子動力學等分子模擬技術進行微觀機理研究同宏觀染料敏化太陽能電池實驗結合，設計與表征一系列基于全新非貴金屬中心敏化劑和純有機染料敏化劑。主要研究敏化劑光電轉換機理，表征敏化劑的紫外/可見光吸收光譜范圍及吸收強度；研究敏化劑電子注入半導體機理，闡明受光激發(fā)電子注入半導體方式及注入時間，遴選利于表面吸附、結合力強、電子傳輸便利的敏化劑吸附基團；研究敏化劑還原再生機理，設計與改進新型敏化劑在電解液中的還原性能。本方向的研究可為開發(fā)低成本、高效率、無污染的染料敏化太陽能電池提供理論與實驗指導。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計與表征等工作，已有多篇成果已經發(fā)表在國際期刊J. Mater. Chem. C、J. Phys. Chem. C、J. Phys. Chem. A、等。近期與香港科技大學楊世和教授合作，理論與實驗設計了一系列以dithiafulvenyl unit為供體的新型純有機敏化劑分子，效率達到8%以上，目前成果發(fā)表在美國化學會雜志Org. Lett.。前期的工作積累為本方向后期的發(fā)展奠定了堅實的基礎并提供了直接理論與實踐經驗。
2）金屬及金屬氧化物表面催化機理研究
設計高效率、高選擇性、綠色環(huán)保催化劑是當前熱門研究領域綠色化學的支柱之一，但由于催化劑表面反應的復雜性，以及實驗條件的局限性，目前對表面催化反應機理還存在許多未知，制約了建立在催化反應基礎上的能源工業(yè)和整個化學工業(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清催化劑表面反應機理以及決定其催化活性的本質因素，為相應催化劑設計及加工工藝的改進提供指導。
本方向主要采用計算模擬技術，研究催化劑表面反應機理、表面結構、活性位、抗中毒性等微觀機理和性質。從原子水平上對反應過程進行完整的動力學描述，找出反應活性和選擇性的控制步驟，認清表面結構敏感性對反應機理的影響，彌補了現代實驗方法的不足，豐富了表面催化機理的研究手段，為表面催化理論增加了新內容。目前該方向在ACS Cataly.、ACS Appl. Mater. Inter.、Catal. Sci. Technol.、ChemCatChem、Langmuir等國際期刊上發(fā)表論文10余篇。
3）碳捕獲及儲能材料理論研究
能源儲存和溫室氣體減排面臨巨大的挑戰(zhàn)。碳基材料及有機金屬骨架材料的發(fā)展為解決碳捕獲及儲能問題提供了一種選擇。借助于量子化學及分子力學相結合的方法，系統(tǒng)研究這些小分子氣體在多孔材料中的吸附行為，有助于設計新型多孔吸附材料，以及深刻認識混合氣體在吸附材料中的競爭吸附等。
本方向主要采用密度泛函理論、分子動力學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撲結構、氣體分子與吸附材料穩(wěn)定性分析、吸附材料的電子結構分析、小分子氣體與骨架材料之間的相互作用方式、骨架材料的儲存能力評估、吸附/解吸過程中的能源消耗和競爭吸附能力等。目前該方向在Nanoscale、J. Mater. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys.上發(fā)表論文。
實驗方面：
4）功能化納米纖維的設計合成
基于靜電紡絲技術可控制備多種有機納米纖維、無機陶瓷納米纖維、有機/無機復合納米纖維，研究其在催化、重金屬離子吸附、過濾等方面的應用。
5）多級耦合結構納米材料的制備與應用
利用二次化學處理方法，可控制備多級耦合結構納米材料，并研究其在傳感、FET等器件領域的應用，為新型低能耗高效半導體器件的應用開發(fā)提供理論基礎。
6）碳及導電高分子基納米材料的合成及應用
新型碳納米材料及導電高分子微納米結構的設計合成，及其在催化、新能源方向的應用。