对多孔材料实施定向设计、结构剪裁和功能集成是科学家长期不懈的追求。课题组立足于材料物理化学新领域，聚焦能源转化与存储中的新问题，围绕新型多孔纳米材料的设计合成及其在多相催化、吸附分离和能源储存领域的应用基础展开研究。致力于发展纳米结构多孔材料合成新方法，促进和控制分子组装“定向进化”过程，认识功能集成新规律，丰富定向设计和可控制备新理论，创制新结构高性能多孔材料，并将其应用于气体吸附分离、多相催化及电极材料等领域。
研究方向主要包括：一、低碳分子的催化转化；二、非金属硼基催化剂的应用基础研究；三、多孔炭质气体吸附剂的设计；四、多孔材料的纳米定制及功能集成；五、炭基材料在锂离子电池中的应用；六、磁质功能纳米粒子的合成及应用。
一、低碳分子的催化转化
从原子利用率和过程经济性出发，将资源相对丰富的低碳烷烃、低碳醇等分子转化为高附加值产品，有望发展成为接替或者部分接替以石油为原料生产化学品的新路线之一。其中高效催化剂的研制是关键。针对金属活性组分在该催化转化过程中易迁移、聚集流失、烧结、污染等基础科学问题，团队基于载体结构创新开展工作，将立足合成策略的基础创新研究，通过调变载体纳米结构及表面化学性质，进而实现提高产物选择性和增强催化剂抗积炭、抗烧结稳定性的目标。
二、非金属硼基催化剂的应用基础研究
低碳烷烃催化转化制烯烃是解决我国石油资源依赖度高的重要途径，也是实现“双碳”和“美丽中国”目标的重要技术手段之一。其中，低碳烷烃氧化脱氢制烯烃（ODH）技术因具有不受热力学平衡限制、反应温度低、不易积炭失活等优势，备受学术界和工业界的关注。但由于烯烃分子的π电子与过渡金属离子中未占据的d轨道间具有强相互作用，易被深度氧化成CO2，降低烯烃选择性。课题组率先发现以氮化硼（BN）为代表的非金属硼基材料实现了低碳烷烃氧化脱氢反应中高催化活性和高烯烃选择性的突破，并且几乎没有CO2生成，不仅开辟了低碳烷烃C−H键选择断裂的新路径，也打破了氮化硼等硼基材料具有催化惰性的传统认知，已在国际上引发新的研究热点。
三、多孔炭质气体吸附剂的设计
分离过程是一个基本的工业过程，能耗消耗巨大，约占化工能源消耗的一半。工业生产中广泛采用的精馏分离工艺能耗高，能源利用率很低。吸附分离是一种非相变过程，具有能耗较低、流程操作简单等特点。但提高分离效率是亟待解决的科学难题。运用模型吸附材料获取结构与性能关联规律，指导高效吸附剂的设计制备及功能集成是化学化工领域的研究热点和难点。课题组围绕影响分离效率的三个关键环节：选择性、吸附动力学、吸附容量开展研究，以多孔炭为吸附剂，在溶液自组装体系，建立了炭质吸附剂结构调控和功能集成新方法，形成了调控气体分离效率和吸附剂功能强化的基础理论认识，为气体高效分离及资源化利用提供了重要支撑。
四、多孔材料的纳米定制及功能集成
多孔材料比表面积高、孔隙发达、表面化学丰富，在能源储存和催化转化领域有重要前景。根据实际应用的差别化和个性化需求精准调控材料微观结构和组成，实现微观尺度的纳米定制，是该研究方向的难点和挑战。本课题组围绕多孔材料结构设计及功能集成研究，立足合成方法创新，建立了多孔材料的可控制备技术，创制出系列结构规整的纳米多孔炭材料(炭球、炭纤维、炭片、整体式炭各向异性炭等)，实现了多孔炭及多孔氧化物的纳米定制与功能集成，形成了调控多孔材料微观结构设计的理论认识，为催化转化和吸附分离相关的多孔材料制备和结构调控提供了支持。
五、 炭基材料在电池中的应用
新型储能材料的研发是推动高效储能技术发展的基础。课题组聚焦新一代化学储能与转化体系的关键基础科学问题，围绕锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池的电极材料的可控合成、结构优化以及功能化开展工作，研发高能量密度、长循环寿命、高安全性的电池储能体系。主要研究内容包括高性能锂离子及锂硫电池电极材料(正极、负极)的设计构筑与应用；材料的微结构与电化学性能之间的构效关系探索；电极材料制备工艺的放大研究；软包锂电池的研发等。
六、 磁质功能纳米粒子的合成及应用
磁质功能纳米粒子由于其磁响应、近红外光响应、催化活性、磁热、极性等特性，在污染物去除、电化学储能转化、催化转化、医学诊断治疗、微流控与液滴操控等领域具有广泛而深入的应用。其中在纳米尺度下的定制及精准合成是实现功能化应用及研究材料构效关系的关键，也是当前领域的研究难点。课题组依托成熟的多孔炭材料的精准合成平台，围绕炭保护磁性功能纳米粒子（carbon-protected magnetic functional NPs）的可控合成、功能化及应用展开工作。主要研究内容包括单分散磁性炭复合材料的精准定制合成；磁性炭复合材料的表面功能化；磁热炭纳米反应器构筑与应用；磁性炭的定向吸附与分离；基于磁响应的液滴操控与智能控制等。
