本研究小组近年来主要关注原子/分子水平上精准调控电催化剂表界面结构，以探索结构与性能的关系及催化机制，从而实现高效的能源和资源转换利用。催化表界面的精准构筑是研究催化反应行为的重要前提，我们主要是从表面位点电子结构及界面纳米结构两方面，对催化剂本征活性和界面传质过程开展了一系列基础研究。凝胶是一种由无机或有机的小分子经过聚合交联的方式形成的一种三维层级结构的材料，具有高孔隙率、高比表面积、低密度、良好机械性能的特点，因此，在能量存储和能量转化方面具有广泛的应用。基于凝胶的催化材料具有以下独特的优势：1）凝胶材料的三维层级结构和多孔结构引入大量的介孔和大孔，增加材料的比表面积和孔隙率，从而使得催化剂位点得以充分且均匀的暴露；孔道中物质特殊的扩散机制引起限域效应，限制反应中间体的传输过程，从而调控电催化活性和催化历程；2）凝胶法制备单原子、亚纳米或纳米催化剂可以在分子水平上调控金属前驱体的分散，此外根据金属前驱体的掺杂量，可以轻松调控活性位点的负载量，引入双金属或多金属前驱体来调控催化剂的金属种类，凝胶的易功能化的特点，能够非常容易地引入添加剂和官能团来调控单原子配位环境；3）机械性能优异，通过喷墨打印、刮刀涂布、3D打印等加工方式制备自支持能量存储及转化器件，有利用材料的大规模生产和实际应用。

      探索结构和性能的关系及催化机制是设计高活性催化剂的重要前提。尽管原位谱学技术已经被广泛用于表界面催化行为的定性研究，然而对电化学过程中真实活性位点和动力学行为等关键信息的定量分析仍然面临巨大的挑战。这是由于催化过程通常是在极短时间内发生的，如毫秒、微秒水平，因此对于中间体的探测十分困难，然而目前大量研究主要采用的经典电化学测量方法，如循环伏安法和计时电流/电位法，该方法受限于催化剂表面位点数目未知，致使催化剂结构-本征活性构效关系难以被精确描述。因此，现代电化学研究聚焦发展拥有高时间-空间分辨率和高灵敏度的原位测量技术与分析方法，以实现对活性位点和本征反应动力学的定量表征。本研究小组通过原位电化学扫描显微镜、球差电镜、元素定量等方式，结合统计学理论，精确定量催化剂的活性位点数、位点密度等影响催化活性的重要维度，通过同步辐射X射线吸收光谱和理论模拟，表征活性位点的精细结构。采用伏安分析、恒电位电解等电化学测试技术测试电催化材料的表观催化能力，借助紫外可见光谱、离子色谱、气相色谱等设备定量分析电解液中的产物，如过氧化氢、氨、亚硝酸根、氢气、尿素等，根据产物的浓度和电量计算产物的产率、法拉第效率、选择性、转化率等表观活性指标。此外，通过原位扫描电化学显微镜技术精确表征催化活性位点的催化动力学信息，分析单原子催化剂的本征催化活性，包括转换频率、反应动力学常数等。根据以上获得的活性位点密度、活性位点精细结构和催化性能，建立活性位点结构与产率、法拉第效率、选择性、转换频率、吸附动力学常数等催化活性之间的定量构效关系。结合理论计算和X 射线吸收光谱等研究手段，从分子和原子尺度精确模拟和分析不同位点密度单原子材料的电子结构、与活性物质结合的吸附能、催化反应历程、活化能等信息，再结合电化学拉曼、差分电化学质谱等原位或非原位表征技术，系统性地探索和理解构效关系中的协同催化机制。

       随着可持续发展、碳达峰、碳中和概念的提出，基于电催化的可持续物质与能量转换得到了广泛关注，是未来缓解气候变化、能源危机和环境问题，实现资源和能源的有效利用的重要手段。高效电催化剂的开发可以降低反应的活化能、提高反应速率、从而降低电力成本、促进电催化体系的工业化进程。电催化在物质与能量转化领域具有独特的优势，第一，电能可以来源于太阳能和风能等可持续清洁能源，相对于化石能源有着不可替代的优势；第二，电化学系统设备简单，通常在常温常压下进行；第三，利用电子得失转化物质，不需要加入其它助剂，避免造成环境负担；第四，利用电流和电位调控反应速率和过程，自动化程度高。本研究小组基于前期在催化材料精准设计和构效规律的研究基础，设计了环境中污染物的绿色去除和产物回收利用新兴技术，如脉冲电解技术、智能催化-监测技术、多场耦合催化-纯化技术等，构建流动池体系和气体扩散电极体系等先进电化学体系，提高反应物传质和反应速率，以期实现大电流下污染物到高价值产物的高效循环利用。