基于航空航天专业育人特色，打通无机化学原理和无机元素课程建设的知识体系融合通道，利用STEM教学理念打造内涵式新质无机化学教学体系，解决目前存在的无机化学教学难点和痛点，提高课程的两性一度，为新时代化学人才的培养提供课程支撑。

晶体工程学是在超分子自组装基础上发展起来的，跨越晶体学、材料科学、合成化学的交叉学科。超分子手性晶体工程属于晶体工程学的一大分支，运用晶体工程学原理和方法设计手性超分子合成子，构筑出手性超分子晶体材料，并进一步探讨对映体选择性识别分离和催化方面的应用前景。

在科研工作的基础上设计了一个综合性化学实验：利用溶剂热法制备碳纳米管/SnS₂光阳极催化剂材料;采用SEM (扫描电镜)、XRD (X射线衍射)、UV-Vis (紫外-可见吸收光谱)等技术进行表征;运用瞬态光电流响应、电化学阻抗、线性伏安扫描等方法分析材料的分解水性能。该实验让学生掌握材料的制备、表征及应用，培养学生的科研素养;利用实验验证所学知识，培养学生分析问题的能力;结合材料的性能及应用，培养学生能源危机及环保意识。

智能致动器具有将外界刺激转化为机械运动的能力，在软体机器人、人造肌肉、传感器、智能皮肤等领域具有广阔的应用前景。本新创实验通过在聚酰亚胺高分子膜表面涂覆聚二甲基硅氧烷预聚体，并喷涂石墨烯乙醇分散液，制备出一种可以利用高分子材料的热膨胀系数差异对光、电、热等刺激产生响应的超疏水智能材料。从中国传统剪纸艺术和仿生结构获得灵感，将所得超疏水材料加工成爪形构造和可变形集水装置，利用材料的超疏水性质实现其在强酸，强碱等复杂应用环境下的稳定运行。此外，通过调整刺激电流大小实现了材料致动能力的智能化编程，进一步提升了新创实验的可控性和应用性。本新创实验融汇无机化学、高分子化学、仪器分析和材料化学等多个化学学科，实现理论与应用的巧妙衔接。所选用的实验原料无毒且易得，符合绿色化学的要求，体现了实验的可持续性。通过开发新型材料的制备技术，有效提升了材料的致动性能，极大地拓展了材料的应用场景。该新创实验现象明显，操作过程趣味性强，有助于激发学生的科研兴趣，提高学生的知识应用水平，培养学生的创新意识，同时提升学生的综合素质。该实验对学生的学习和成长具有积极的促进作用。

超分子化学领域的多种常用模块均具有氧化还原活性，它们参与的非共价相互作用对于电子得失较为敏感。电化学技术一方面可以通过电子转移产生活性物种，从而调节非共价相互作用，另一方面也可以提供其他表征手段无法获得的能量和动力学信息，因此成为超分子化学研究领域的主要工具之一。本文通过对典型案例的分析，简要总结了电化学技术在超分子化学研究工作中发挥的具体作用。

Bi₂Te₃钾离子电池负极存在结构不稳定性和电化学反应动力学缓慢问题。本研究在手风琴状MXene基底上生长棒状Bi₂Te₃，随后利用P掺杂制备了高性能P-Bi₂Te₃/MXene超结构。这种新型负极具有丰富的Te空位和良好的自适应特性，展现出优异的循环稳定性(在0.2 A·g⁻¹电流密度下200次循环后可逆容量为323.1 mAh·g⁻¹)和出色的倍率能力(20 A·g⁻¹时可逆容量为67.1 mAh·g⁻¹)。动力学分析和非原位表征表明，该超结构具有优异的赝电容特性、出色的K⁺离子扩散能力以及可逆的嵌入反应和转化反应机理。

作为21世纪最重要的科技成果之一，超材料概念的提出对物理、材料、光学、声学等学科产生了颠覆性的影响。本实验采用微观设计宏观制备思路，开展了基于分子设计的3D打印超材料制备，通过构建不同规模大小的微观碳笼分子模型，利用计算机仿真技术对3D打印超材料的制备过程、性能表现等进行模拟和预测，以指导实际的设计和制造，实现微观分子模型到宏观多孔材料的映射，探究微观碳笼结构与3D打印宏观超材料的性能关系。通过数字化设计精细调控超材料分子结构，优化其物理、化学与力学性能，结合3D打印参数优化，可制造出强度更高、韧性更好的结构件，应用于航空航天、汽车、高端装备等对材料力学性能要求极高的领域。利用数字化设计的优势，可以实现超材料的定制化制备。这种分子层面的微观结构设计与3D打印技术的宏观构件制备相结合的方法具有创新性，为超材料的设计和制造提供了新的思路，推动了化学实验数字化设计和应用，提高了化学实验数字化设计水平。

以碳纳米管(CNT)为原料，通过负载维生素B₁₂，简单热解得到了一种氮掺杂碳纳米管(N/CNT)负载低含量Co₃O₄纳米颗粒的氧还原电催化剂(Co₃O₄@N/CNT)。得益于均匀分散的Co₃O₄纳米颗粒以及氮掺杂，Co₃O₄@N/CNT表现出了优异的氧还原催化性能，其半波电位达到了0.844 V (vs RHE)，超越了商业Pt/C (0.820 V (vs RHE))。与Pt/C相比，基于Co₃O₄@N/CNT组装的锌-空气电池表现出了更优的放电性能和循环稳定性。

福岛核事故(FNA)产生的含¹³⁷Cs放射性废水因其安全处置难题而备受关注。共存Na⁺离子严重阻碍Cs⁺的去除，加剧了放射性废水处理成本。近年来，电容去离子(CDI)技术在该领域展现出显著的潜力，但由于缺乏对Cs⁺具有高选择性的理想电极材料，该技术的实际应用受到了一定限制。本研究开发了一种碳纳米管(CNT)嵌入亚铁氰化锌钾(KZnFC-CNT)的复合材料，通过电化学方法预活化后作为CDI阴极，用于高盐放射性废水中Cs⁺的选择性电吸附。KZnFC-CNT电极表现出392.75 mg∙g⁻¹的最大电吸附容量和11.21 mg∙g⁻¹∙min⁻¹的最高电吸附速率。在Na⁺ : Cs⁺摩尔比为100 : 1时，该电极对Cs⁺/Na⁺的选择性系数高达138.2。X射线衍射、电化学分析和理论模拟表明，Cs⁺的选择性电吸附主要受Cs⁺与Na⁺离子交换过程及KZnFC晶格相变的调控。本研究为高盐含铯放射性废水处理提供了有效策略。

可逆锌-空气电池因其高功率密度和环境友好性而得到了广泛研究。然而，氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学限制了其实际应用。迄今为止，二氧化铱和二氧化钌被认为是氧析出反应的最佳电催化剂，同时铂碳被认为是最有效的氧还原反应的电催化剂。然而，由于Pt、Ir和Ru的天然丰度低、成本高的原因，它们在ZABs中的实际应用严格受限。因此，探索低成本和高性能的双功能催化剂对促进可充电锌-空气电池的发展至关重要。具有高导电性、低氧还原反应能垒的过渡金属合金可作为有潜力的氧还原电催化剂。为提高过渡金属合金催化剂的双功能催化活性，可构筑过渡金属合金@过渡金属氮化物的核壳结构。在此，我们设计了一种氮掺杂碳纳米管包覆Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN核壳结构(Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT)的双功能电催化剂，其具有高效的双功能催化活性。核壳结构可以为ORR/OER产生更多的活性点。Fe_0.64Ni_0.36核具有高导电性，有助于电荷转移。Fe₃NiN壳有助于提升催化剂的OER性能。氮掺杂碳纳米管不仅能够有效增强传质效应和内部电荷传递，还可以提升其电化学活性表面积。此外，具有高抗腐蚀性能的Fe₃NiN外壳可以有效地保护Fe_0.64Ni_0.36内核，从而提高了电化学过程中催化剂的稳定性。氮掺杂碳纳米管对Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN核壳结构也具有一定的保护作用，因此Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT表现出优异的稳定性。Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT催化剂表现出优异的双功能氧电催化性能，获得ORR的半波电位为0.88 V，在10 mA∙cm⁻²时的OER过电位为380 mV，以及高电化学稳定性(8 h后电流密度剩余92.8%)。此外，与基于Pt/C + IrO₂ (155 mW∙cm⁻²)和Fe_0.64Ni_0.36/NCNT (89 mW∙cm⁻²)的锌-空气电池相比，基于Fe_0.64Ni_0.36@Fe₃NiN/NCNT的锌-空气电池展现出更高的功率密度(214 mW∙cm⁻²)，提供781 mAh∙g⁻¹的高容量，并展现出了超长的循环稳定性(循环寿命超过1100 h)。我们相信这项工作将对于新型催化剂设计有所启发，从而实现高度稳定和高效的锌-空气电池。