主要从事胶态半导体量子点（quantum dots，QDs）和胶态半导体幻数团簇（magic-size clusters，MSCs）纳米材料反应机理及形成路径的从"0到1"的原创性基础研究，为大规模、高效制备半导体纳米晶提供理论支撑，促进半导体纳米材料的合成制备技术发展成一个完整的科学体系。同时开展纳米材料在医用、能源等领域的应用研发。主要学术贡献如下：
1. 创建了半导体QDs合成反应成核前的诱导期的余氏二步演化路径模型，为半导体纳米材料的可控合成制备，提供了重要的理论指导，奠定了坚实的理论基础。该路径模型阐明了QDs和胶态半导体幻数团簇（magic-size clusters，MSCs）在形成路径之间的紧密关系：其中一条路径是形成QDs的经典成核路径；另一条路径是没有特征光学吸收峰的MSCs的前驱化合物（precursor compounds，PCs）的生成。MSCs和PCs是类同分异构体，PCs通过其表面诱导的分子内结构转化成MSCs，此异构化有一级反应动力学的特征。看似相互独立的生成QDs和MSCs的两条路径，实际上是通过PCs相互影响着。(Acc. Chem. Res. 2021, 54, 776−786.)。该路径模型同时支持经典和多步非经典成核理论：在反应前驱物浓度较低时，第一条经典成核路径占优；在反应前驱物浓度较高时，第二条非经典成核路径占优。中国科学院化学研究所与中国科学院大学报道了支持第一条经典成核理论路径的水结冰的实验数据（Nature. 2019, 576, 437–441）。其中第二条非经典成核路径和其他材料体系的多步成核模型有明显的共性，包括钙基无机物、有机物、高分子和金属。例如，浙江大学报道的遵循非经典成核理论的碳酸钙结晶过程，在成核前期存在与MSCs的PCs十分相似的中间体 (CaCO3)n (n = 3-11)（Nature. 2019, 574, 394–398）。颠覆性地提出CdTe MSC的间接转化路径模型，MSC转化的中间体是其前驱化合物PC，揭示了MSC转化时吸收光谱不连续变化的根本原因。PC和MSC互为同分异构体，具有相同的无机核组成与不同的结构。在紫外-可见吸收光谱中，PC相对光学透明，MSC具有特征吸收信号。PC的能量稍高，反应活性较大，通常是PC而不是MSC发生反应。MSC-a到MSC-b的转变，大都是通过MSC-a到PC-a，到PC-b，到MSC-b的过程，吸收光谱表现为不连续的移动（如红移）。
a. 将诱导期样品通过低温（如室温）孵化或者分散到特定溶剂中直接制备MSCs。该合成方法具有普适性，已被用来室温制备单一产品的多种新型II-VI族的二元MSCs。首次利用一个CdTe诱导期样品，在室温下合成了四种CdTe MSCs的类同分异构体，MSC-371, MSC-417, MSC-448, 和dMSC-371（吸收双峰位在~350和~371 nm）。（J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4345–4353）
b. 原创性地建立了不同MSCs之间的转化模型：二种MSCs之间的有isosbestic point（光学等吸收点）的表观转化，是经由PCs实现的；并且，MSCs之间的表观转化速率实为对应PCs之间转化的速率，即PCs间的转化是MSCs转化的决速步。其中研究了CdTeSe三元合金MSC-399到MSC-422转化。提出PC-a到PC-b的转化反应，是单体参加的置换反应。（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114551.）
c. 首次观察到了吸收光谱的448到488 nm的连续红移并突破性地提出MSC-a到MSC-b的转化有直接与间接二条路径。直接路径是MSC-a的连续转化。间接路径是MSC-a经由PC-a和PC-b实现的，具有较低的反应能垒。Nat. Rev. Mater. （影响因子83.5）将该项工作作为亮点工作进行报道。（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202205784.）。在此基础上，首次观察了吸收光谱的399到422 nm的连续红移，深入讨论了CdTeSe三元合金MSC-399 转化为MSC-422时，两种转化路径的配体诱导机制。（ACS Central Sci. 2023, 9, 519–530.）
2. 研发了II-VI族二元MSCs和QDs的两步合成法（余氏）：将QDs的合成反应停留在成核前的诱导期，得到的诱导期样品，再得到MSCs或QDs的较可控的单一产品。该合成法为探索半导体MSCs的合成、结构与性能的关系，推进了MSCs能带理论发展，理解半导体QDs和MSCs表观实验现象，建立和完善半导体QDs的经典和非经典成核理论，提供了宝贵的半导体纳米材料的实验数据支撑，奠定了坚实的实验基础。(Adv. Mater. 2022, e2107940.)
a. 原创性地提出在二元II-VI族QDs的诱导期样品，可能有PCs、单体（Mo，(ME)2）以及碎片（Fr，(ME)n，n > 2）的生成。PCs的生成是基于阳(M)和阴(E)离子反应前驱物的自组装和自组装体中M-E共价键的形成。(Chem. Mater. 2017, 29, 5727–5735.)。首次实现了ZnE MSCs到CdE MSCs （E = S, Se）。创造性地提出阳离子交换反应的间接路径模型，和阴离子E定量地调控M和E反应前驱体的自组装行为。间接路径模型是ZnE MSC经由ZnE PC到CdE PC-b到CdE MSC。（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19060−19069）
b. 颠覆性地提出胶体半导体CdTe量子点在成核前存在团簇PC的形成与异构化。（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310234）
c. 建立了用二种诱导期样品的混合物，室温制备II-VI族三元合金CdTeSe MSC-399（吸收峰位在399 nm）单一产品的合成方法，并提出，CdTeSe MSC-399的类同分异构体CdTeSe PC-399是通过置换反应 CdTe PC + CdSe Mo/Fr => CdTeSe PC + CdTe Mo/Fr 生成的。(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 16943−16952.)。三元合金CdTeSe MSC-399 的工作被国际顶级期刊Nature Communications 编辑推荐为无机化学和物理化学2019年最新研究进展精选介绍， 被Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 16943-16952推荐为当期内封面精选研究进展介绍。
d. 首次利用诱导期样品，在低温下外加小分子添加剂，分解诱导期样品中的MSCs的PCs，实现了低温高产率二元半导体II-VI族小尺寸CdS QDs的合成制备，完美地解决了小尺寸QDs合成的重复性差，产率低等问题。（J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6356−6363）
e. 首次阐明了胶态纳米颗粒领域的第一对可以相互转化的半导体CdS MSCs类同分异构体。从CdS诱导期样品制备出两种互为类同分异构体的CdS MSC-311和CdS MSC-322。该研究结果表明，除了组分和尺寸外，MSCs的形状和结构也是影响其光学性质的重要因素，为半导体MSCs的能带理论发展提供了新的、可靠的实验数据。数月之后，美国康奈尔大学Robinson课题组在Science上发表了这一对类同分异构体相互转化的相似的研究工作（Science. 2019, 363, 731-735），支持了CdS MSC-311和CdS MSC-322类同分异构体学说。
3. 探讨了目前QDs研究领域存在的多个具有争议性的问题。例如，发光的CdSe dMSC-463（吸收双峰位在~433和~463 nm，发光峰位在~465 nm）是零维MSCs还是二维纳米片和纳米螺旋片；发现零维MSCs可通过自组装形成二维纳米片和纳米螺旋片，自组装前后样品的静态特征光学吸收和特征荧光发射信号几乎保持不变。
a. 首次利用CdSe QDs的诱导期样品（120 °C），外加小分子添加剂（如CH3COOH），实现了对QDs成核生长的抑制，和发光CdSe dMSC-463在较高温度（220 °C）单一产品的高效合成。
b. 首次利用CdTe QDs的诱导期样品（40 °C），外加小分子添加剂（如CH3COOH），实现了对QDs成核生长的抑制，和发光CdTe dMSC-427（吸收双峰位在~385和~427 nm）在较高温度（100 °C）单一产品的高效合成。
c. 首次报道非荧光CdS MSC-322转化为荧光CdS MSC-328，它们互为同分异构体。讨论了配体诱导的结构差异，是荧光性质区别的主要因素。PC-322到PC-328的转化反应，是单体参加的置换反应。PC-328到PC-373的转化反应，是单体参加的加成反应。进一步理解了幻数团簇荧光峰位的可调控性。(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304329)
4. 率先揭示了半导体ME QDs反应体系中，M和E反应前驱物生成M-E共价键的普适化学反应路径，阐明了半导体QDs的反应机理存在共通性，为不同元素组成的半导体QDs材料的合成理性设计和精准制备提供了重要普适方法。