尿酸是嘌呤在人体内代谢的最终产物，如果人们长期食用嘌呤含量高的食物或者不新鲜的各种肉类，使人体尿酸失衡，就容易导致血液中尿酸过高，引发一系列健康问题。本实验制备了一种新型Cd₂In₂S₅纳米晶，将Cd₂In₂S₅纳米晶与丝网印刷碳柔性电极结合，所得电极可用于尿酸检测。可通过检测尿酸含量来监测人体健康状况以及判断肉类新鲜程度。本实验创新性的将神奇的纳米材料走向市场，让中小学生、大学生、社会人群都能明白尿酸检测原理。实验所用材料便宜易得，操作简单，可实现尿酸的居家检测。

智能水凝胶是一类具有三维网络结构的高亲水性高分子聚合物材料，能快速感知和响应环境的变化。本项目以食用海带为原料提取海藻酸，利用其与不同金属离子的交联能力不同，制得具有金属离子响应能力的海藻酸水凝胶，成功用于软硬水鉴别、维生素C和金属离子检测。项目通过设计趣味实验开展梯度科普，生动阐释智能水凝胶的形成原理和应用实例。学龄前儿童和小学生可以通过简单的操作制备出五彩缤纷的凝胶球，趣味性强。中学生和社会公众可用简单的生活器具从海带中提取海藻酸并制备出水凝胶，用于软硬水的鉴别和水果中维生素C的测定，生活化与科学性相结合，激发参与者学习化学的兴趣和热情。大学生可以通过实验研究智能水凝胶的分析检测性能，结合光度法检测铁离子和维生素C的含量，培养其综合素质。项目集趣味性、生活化和科学性于一体，层次丰富、可行性高。该项目有望助力化学从实验室走入生活，服务公众；也可推动更多人了解化学、走进化学、发展化学。

Metal-organic framework (MOF) MIL-101 and surface plasmon polariton (SPP) supported gold nanoparticles (Au NPs) hybrid systems were developed as a highly sensitive and reproducible surface-enhanced Raman scattering (SERS) detection platform, in which a green electrostatic self-assembly technology was adopted to construct the substrate. In an aqueous solution, the electronegativity of the particles can be used to prepare the composite substrate without any surface modifier. Due to the enrichment capacity of MIL-101 and the electromagnetic enhancement from Au NPs, the well-designed MIL-101/Au composites possessed ultrahigh sensitivity with the detection limit of Rhodamine 6G (R6G) as low as 10^-10 mol·L^-1. Meanwhile, the substrate exhibits high stability, excellent reproducibility, and recyclability. Additionally, the novel substrate can be explored for direct capture, and sensitively detect pesticide residues such as thiram.

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中，采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同Pt、Ru负载量的PtRu/NC催化剂，并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明，合成的催化剂中Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能，质量活性达4.96 A·mg_PtRu^-1，且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时，当电流密度为100mA·cm^-2时，Pt₁Ru/NC在HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、STEM-能谱(STEM-EDS)技术表征了PtRu/NC双金属催化剂，其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上；(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上，后负载于NC，形成了Pt-Ru相分离结构；(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。

导电水凝胶兼具生物医用材料和导电材料特征，可应用于医疗康复、运动监测和人机交互等领域。为提高柔性电子学专业本科生的创新意识与实验技能，本实验设计了一种纳米凝胶材料交联的导电水凝胶，通过探索加聚型水凝胶聚合过程中引发剂浓度和交联机制，阐明材料结构组分对水凝胶基柔性电子器件使用耐久性能及传感性能的影响。通过创新实验设计，柔性电子学专业本科生可以学习到高分子乳液聚合、水凝胶制备以及应力应变传感性能表征等知识点，深入理解交联剂结构设计对材料功能性的影响。此外，本实验还设计了基于水凝胶柔性电子传感器的可穿戴传感系统，通过集成可控制小车移动的智能手套，以及用于控制电脑游戏的水凝胶控制器，将前沿科研与本科实验教学任务紧密结合，有利于激发柔性电子、材料、电子信息等专业本科生对于科研的兴趣和创新探索的科研精神。

本文介绍了作者在计算材料学本科课程的教学实践中基于SPC/E水分子模型设计的一系列分子动力学实验内容。SPC/E水分子模型具有简洁、高效和便于理解的特点，基于此模型设计的实验内容包含分子动力学算法验证，以及径向分布函数、比热容和输运性质的计算。这些实验内容与理论课中分子动力学的基本原理和分子动力学对物质结构、热力学性质和动力学性质的计算等内容一一对应，有助于加深学生对分子动力学的基础知识的理解。这些实验采用同一模拟体系贯穿始终，计算量适中且均使用开源软件LAMMPS进行模拟，可实现计算化学及计算材料学课程中分子动力学实验简洁高效的教学。

目前3D打印教学实验的内容大都是利用商业化聚合物让学生初步了解3D打印的基本流程。这种基础实验难以让学生接触到前沿的新型材料，对于新材料如何与3D打印技术结合这些底层科学问题也往往被忽略。高分子凝胶具有富溶剂特性和良好的生物相容性，在组织工程、药物输送、柔性电子等诸多领域都有着广泛的应用前景。本实验结合了作者近期的科研成果，在给学生指定新型凝胶基材料之后(水凝胶/有机凝胶)，引导学生探索调控凝胶基材料的流变学性能和溶胀性能，并将凝胶基材料和3D打印技术有效地结合起来，从而对这种先进材料的加工方式有更加具体的了解。本实验的教学设计，强化了学生对诺贝尔奖成果的深入理解，并增强了学生运用所学专业知识服务国家发展需求的意识，培养了学生勇于探索的创新精神和分工合作的团队意识。

计算电极电势是电化学的必备技能。目前物理化学教材中，一般只给出了酸性条件下部分物质的标准电极电势(φ^⊖)，以及如何利用Nernst方程由φ^⊖计算电极电势(φ)。教材中对于碱性条件下φ_B^⊖没有涉及，学生对φ_B^⊖不甚理解，乃至在由φ_B^⊖计算φ时可能得到错误的结果和结论。本文以水(H₂O)氧化还原反应为例，从物质的标准生成Gibbs自由能变(∆_fG_m^⊖)出发计算φ^⊖和φ_B^⊖，结合酸(或碱)性条件下反应物种的分析，利用Nernst方程计算不同pH下的φ，给出φ–pH图。此外，还讨论了热力学同位素效应对φ^⊖和φ的影响。这可为作为相关教学和科研的参考。

水凝胶作为软物质的成员之一，是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料，以其含水量高、溶胀快、生物相容性好、对外界刺激响应灵敏等性质而被广泛应用于不同领域。本项目从生活中常见的果冻零食、水精灵玩具出发，逐步深入到适宜3D打印的水凝胶、可变形的水凝胶、基于热刺激的记忆-遗忘型水凝胶，面向不同的受众群体分层次科普水凝胶的知识、体验不同类型水凝胶的制备及性质探究实验，深入浅出地阐释实验背后的化学原理，提升公众的化学素养。

以提高GaN/ZnO异质结光解水制氢性能为目标，采用第一性原理方法研究了Li和Au元素掺杂GaN/ZnO异质结的电子结构、光学性质和光催化性能。电子结构计算表明GaN/ZnO异质结为直接带隙半导体，异质结类型为Z型，带隙为1.41 eV，能有效促进载流子分离。Li、Au掺杂后的各结构中除Li替位Zn结构外，均具有磁性。光学性质分析的结果表明，掺杂Li、Au元素可以提高体系的吸收系数，其中Li替位Zn后异质结具有较大的光吸收系数，同时具有较大的功函数(7.37 eV)和界面电势差(2.55 V)，表明其可见光利用率较高，界面结构稳定且具有较大的内建电场，可以更有效地促进电子与空穴的迁移从而减小电子-空穴对的结合。Bader电荷分析表明掺杂元素Li和Au均失去电子。电子从GaN层向ZnO层转移，在界面处形成了一个有效的内电场。Li替位Zn和Au同时替位近位的Ga和Zn所对应的2种结构的层与层之间转移的电子较多，说明其界面电势差较大且拥有较高的光生载流子迁移速率。光解水制氢性能分析表明，ZnO薄膜、GaN/ZnO异质结、Li替位Ga以及Li同时替位远位的Ga和Zn四种体系在pH=0时，满足光解水制氢的条件。GaN薄膜、ZnO薄膜和Li同时替位远位的Ga和Zn三种体系在pH=7时满足光解水制氢的条件。