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。

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。

通过Adams方法成功制备MnO₂-0.39IrO_x(0.39为Ir/Mn的原子比)催化剂并将其用于酸性介质中高效析氧反应(OER)。电化学测试发现，MnO₂-0.39IrO_x仅需253 mV的过电势即可驱动10 mA·cm^-2的水氧化电流密度，并可稳定运行200 h。在1.50 V(vs RHE)电势下，MnO₂-0.39IrO_x的贵金属Ir的质量活性为61.3 mA·mg^-1，是IrO₂的35.8倍，说明MnO₂掺杂大大提升了贵金属利用率。结构分析发现MnO₂-0.39IrO_x独特的片状结构大幅度提高了催化剂的电化学活性表面积，并且Ir位点与Mn位点之间存在一定的电子相互作用。催化过程分析表明，MnO₂-0.39IrO_x表面出现一定的重构现象，并且Mn组分对Ir位点的化学环境实现了持续优化，从而实现了催化剂的高效酸性OER性能。

采用一步溶剂热法在泡沫镍(NF)基底上原位生长Cu/α-FeOOH纳米复合材料，制备了自支撑Cu/α-FeOOH/NF催化剂。相比于α-FeOOH/NF催化剂，Cu的引入为α-FeOOH的生长提供了更多的附着点，使得催化剂表面更加粗糙，并增大了催化剂与反应物的接触面积。Cu和无定形的α-FeOOH之间存在晶态和非晶态的异质界面，改变了催化剂的电子结构，促进电子从Ni、Fe向Cu转移，从而显著增强了催化剂对甲醇的吸附和氧化。电化学测试表明，Cu/α-FeOOH/NF催化剂具有优异的甲醇氧化反应(MOR)和析氢反应(HER)性能。在Cu/α-FeOOH/NF催化剂同时作为阴极、阳极的Cu/α-FeOOH/NF||Cu/α-FeOOH/NF HER-MOR耦合电解水系统中，达到10 mA·cm^-2电流密度所需的电压比直接全水解系统降低了125 mV，且在较大电压(2.4 V)下能够稳定反应96 h。此外，阳极MOR产生了价值更高的甲酸盐，1.80 V下生成甲酸盐的法拉第效率高达97%。

近年来，开发用于水氧化反应的聚合物薄膜光阳极引起了学术界的关注，其中碳化氮类半导体材料因其卓越的性能而尤为瞩目。本研究聚焦高结晶度的聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备与调控，发展了二元熔盐体系用于开展聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备及其水氧化性能研究。优化后的电极能够在相对于可逆氢电极的1.23 V的电压偏置下，模拟可见光照射下，实现了365 μA·cm^-2的最佳光电流密度，约为无定形PCN光阳极的18倍。在这一过程中，NH₄SCN促进了SnS₂种子层的生长，而K₂CO₃增强了薄膜的结晶性。原位电化学分析表明，这种盐的组合提高了光激发电荷转移效率，并将SnS₂层的厚度限制在一定范围内，使电极电阻尽量小。这项研究阐明了盐在合成聚七嗪亚胺光阳极中的作用，并为设计基于高结晶碳化氮的功能薄膜提供了研究基础。