1、污染控制化学
随着人类经济社会的快速发展，环境问题日益严重，其中80%以上是由化学物质污染造成的。污染控制化学主要研究与污染控制和修复有关的化学机制与工艺技术中的化学问题，为开发经济、高效的污染控制及修复技术，发展清洁生产工艺提供理论依据。本课题组致力于发展基于环境友好的铁和分子氧的高效低成本绿色污染控制技术，着重解决纳米零价铁的反应活性调控和分子氧活化面临的关键科学问题，发现纳米零价铁核壳结构依赖分子氧活化降解有机污染物特性，提出了一个纳米零价铁活化分子氧新机理来解释这一特性（如下图）；并不断寻找和设计能提高纳米零价铁反应活性的配体，诠释纳米零价铁界面反应和活性氧物种产生规律。
铁是地壳中元素丰度排第四的过渡金属元素，广泛存在于大气气溶胶、天然水体、土壤和动植物体内，其普遍存在及氧化还原特性使其在自然界生物地球化学循环和生物体的化学演变过程中扮演着重要角色。铁循环在地球化学循环中居于位置重要、功能多样的枢纽地位，研究铁循环及其环境效应已然成为国际研究前沿和热点话题，更是揭开红壤非生物地球化学循环奥秘的关键点。解决铁循环问题的关键是在原子水平上阐明（氢）氧化铁表/界面上发生的吸/脱附原理、氧化还原过程以及电子转移途径，并进一步揭示其环境效应。最近，本课题组开始可控合成出不同晶面暴露的赤铁矿纳米晶，利用扩展X射线吸收精细结构光谱、衰减全反射傅里叶红外光谱等现代表征技术，并结合密度泛函理论计算手段，系统地研究典型环境污染物在赤铁矿不同晶面上吸附/脱附和氧化还原以及电子转移过程（如下图），阐明赤铁矿晶面依赖的环境污染物吸附和转化特性，籍此在原子水平上揭示赤铁矿的环境效应，理解红壤中复杂的地球化学循环过程，阐明红壤中铁循环与污染物迁移转化之间的内在联系，并通过铁循环调控实现环境治理和修复。
2、光催化
光催化技术不仅可以利用太阳能产生氧化能力极强的·OH自由基，将有机污染物氧化降解，还可以模拟植物的光合作用利用光照射半导体产生光生空穴和电子来分解水产生氢气，在解决能源短缺和环境污染两大难题上表现出诱人的前景。但它受制于其低量子效率，无法在环境和能源领域得到大规模应用。如何提高光催化反应效率一直是光催化领域研究的重点、热点和难点。本课题组致力于发展低成本制备高比表面积晶化可见光光催化剂的新途径，揭示可见光光催化剂分子氧活化、光生电荷分离的影响因素及其结构-性能关系，提高它们常温常压下太阳能活化分子氧降解污染物的效率。譬如，最近我们利用水热法结合pH值调控选择合成出{001}和{010}晶面暴露的BiOCl单晶纳米片，并发现特定表面原子结构和适宜自建场的协同作用导致{001}晶面暴露的纳米片紫外光直接半导体光激发降解污染物活性更高。而{010}晶面暴露的纳米片则由于具有高表面积和开放表面通道特性，表现出更好的间接染料敏化可见光降解污染物性能（如下图）。这些发现不仅首次在实验上证实了半导体光催化剂的内建场能影响光生电荷分离，加深了我们对光导体光催化剂晶面依赖光反应活性起源的理解，而且还能用于发展新型光催化剂和实现光反应活性的微调。
氮元素是地球上生物生长所须的基本元素之一。虽然大气中含有约 78% 的氮气分子，但大多数生物体没办法直接利用它，主要原因是氮气分子十分安定。生物体在消化吸收氮元素前，须用各种方法使氮成为含氮的化合物（如氨）――固氮。自然界固定氮的主要途径有两种――闪电和固氮细菌，但自然固氮远远满足不了农业生产的需求，因此人工固氮成为重要的研究领域。目前工业上应用得较多的人工固氮是Haber-Bosch法，但该方法要求苛刻的高温、高压的反应条件，无疑加剧了不可再生化石燃料的消耗以及温室效应的产生。因此，如何在温和条件下实现人工固氮是一个亟待解决的关键科学问题。鉴于活化十分安定的氮气分子的N-N三键是固氮的关键，而有关研究表明固氮细菌就是利用其固氮酶中FeMo辅因子对氮分子进行活化以削弱其N-N三键，本课题组利用含有氧空位的BiOBr作为催化剂，从理论和实验上证明了氧空位的局域电子可以大大增强催化剂表面对氮分子的吸附和活化。同时，以可见光作为能量供给，水作为绿色质子源，该催化剂可以实现高效的可见光催化固氮（如下图）。虽然该反应在效率上仍难以取代工业合成氨反应，但这些发现将加深人们对催化剂表面结构活化氮分子过程的理解，并开辟了在温和条件下合成氨的新思路。
3、环境纳米材料
纳米材料具有高比表面积及很强的吸附、催化等微界面功能，已逐步进入环境治理领域，代替原有的传统技术和材料，有望成为未来污染控制材料的重要选择。开发出面向环境污染控制的高效纳米功能材料并将其应用于大气、水体、土壤和其他环境治理及修复方面具有重要的学术和应用价值。本课题组已发展了系列高比表面积的环境纳米材料，并将其用于高效去除水中的重金属污染物（如六价铬离子、二价铜离子、二价镉离子、二价铅离子等）。
