以碳、硅量子点、团簇、金属/半导体纳米粒子等为研究核心，致力于揭示介观体系中簇、量子点、纳米粒子的表面化学、催化特性、光电化学性质，以及相关的基本规律。构筑纳米复合体系，并对其进行性质设计与功能调控，瞄准仿生催化、高效绿色催化、高效能量转换、太阳能光解水等仿生体系设计。
在光催化方面，重点对光催化全解水反应、光催化氧还原反应等光催化反应进行研究，并通过对催化剂结构的设计实现对水分解反应产物选择性的调控。通过原位瞬态光电压测试和动力学-热力学计算，构建了对催化剂活性的预测方法，深入研究了催化反应过程的电荷变化，明确了光催化反应机理，为碳基光催化剂的设计和催化反应中电荷的研究提供了一种新的策略。
采用酚醛聚合的方法，将碳点（CDs）原位的引入原花青素与4-甲氧基苯甲醛的聚合物中合成了非金属光催化剂，并将其用于在海水中光催化生产过氧化氢。其中，添加有CDs的复合催化剂PC-MB-30在真实的海水中展现了优异的光催化活性，其过氧化氢的产率可以达到1776 μmol/g/h（λ ≥ 420 nm; 34.8 mW/cm2），是纯聚合物催化剂的4.8倍。本工作提出了CDs的电子势阱效应，并通过原位瞬态光电压测试和密度泛函理论计算验证了盐对CDs电子势阱效应的增强机制。结合原位光电化学测试、瞬态光电压分析和动力学-热力学模型，明确了复合催化剂在海水中的活性位点和催化机理。该工作为催化剂在真实海水中高效光催化合成过氧化氢开辟了一条新途经（Nat. Commun., 2021, 12, 483.）。
复合物催化剂PM-CDs-30在海水中光催化合成H2O2的原理图。
有机酸修饰的氮化碳(PTA/CN)，作为一种新型的非金属光催化剂，可以通过双通道（水氧化反应和氧还原反应）反应路径实现光催化水分解生成过氧化氢。在常温常压和不添加任何牺牲剂和助催化剂时，过氧化氢生成速率可达833 μmol/g/h。在波长为420 nm的光照射下，测定了该催化剂生产H2O2的量子效率为0.67 %。本工作中，原位瞬态光电压分析为研究催化机理、催化动力学和优化反应条件提供了一个方便的策略。通过结合电化学方法建立了反应动力学模型，有效地提取了反应的半反应速率、电子转移数和催化活性等必要信息。这种新的研究方法不仅简化了复杂的平行、对比和优化实验，也是为优化光催化剂提供了一种新的研究策略，促进光催化领域的快速发展（Appl. Catal. B Environ., 2021, 285, 119817.）。
基于PTA0.6/CN在不同氧气分压(PO2)和转速(ω>0)下的热-动力学模型（插图为PTA0.6/CN的带隙结构图）。
[1] Qingyao Wu, Jingjing Cao, Xiao Wang, Yan Liu, Yajie Zhao, Hui Wang, Yang Liu*, Hui Huang, Fan Liao, Mingwang Shao*, Zhenhui Kang*, A metal-free photocatalyst for highly efficient hydrogen peroxide photoproduction in real seawater. Nat. Commun., 2021, 12, 483.
[2] Yan Liu, Yajie Zhao, Qingyao Wu, Xiao Wang, Haodong Nie, Mingwang Shao, Hui Huang, Yang Liu*, Zhenhui Kang*, Charge storage of carbon dot enhances photo-production of H2 and H2O2 over Ni2P/carbon dot catalyst under normal pressure. Chem. Eng. J., 2021, 409, 128184.
[3] Jingjing Cao, Qingyao Wu, Yajie Zhao, Kaiqiang Wei, Yi Li, Xiao Wang, Fan Liao, Hui Huang, Mingwang Shao,* Yang Liu,* Zhenhui Kang,* In-situ photovoltage transients assisted catalytic study on H2O2 photoproduction over organic molecules modified carbon nitride photocatalyst, Appl. Catal. B Environ., 2021, 285, 119817.
