为了深入研究波纹管在海洋大气环境下的腐蚀过程以及准确预测其使用寿命，在考虑局部电化学反应、氧气浓度及溶液中均相反应的基础上，本文采用有限元法模拟研究了波纹管波峰和波谷在不同电解质液膜厚度下的点腐蚀速度和腐蚀坑形态，同时，为了提高计算精度，本文使用插值函数的形式直接导入拟合后的极化曲线数据作为电极表面的非线性边界条件。研究结果表明，波峰比波谷的腐蚀速度更快；随着电解质液膜厚度的增加（从10 μm增加到500 μm），波峰和波谷的腐蚀速度均逐渐减慢，波峰处在模拟时长为120 h后的最大腐蚀速度从0.720 mm/a减小至0.130 mm/a，波谷处从0.520 mm/a减小至0.120 mm/a，两处的腐蚀速度差异逐渐减小；随着腐蚀的进行，腐蚀坑逐渐向着基体内部扩展，除了纵向扩展外，其还沿着钝化膜界面横向扩展，直至穿透整个基体。本研究为不锈钢波纹管在海洋环境下的防腐工作提供了参考。

聚苝酰亚胺被认为是光催化析氧的优异候选材料，但其光催化析氧反应活性的来源仍需要进一步的探索。本文基于X射线衍射谱解析了自组装合成聚苝酰亚胺的晶体和原子结构，并利用第一原理密度泛函理论计算阐明其电子结构，证实聚苝酰亚胺具有适合光催化析氧反应的能带结构和优异的电子激发效率。晶体轨道哈密顿布居分析证实，共轭结构中尿素和苝环之间的羰基氧原子是光催化析氧的反应活性位点。反应自由能变化计算表明，聚苝酰亚胺表面的光催化析氧反应遵循H₂O → *OH → *O → *OOH → *O₂的反应路径，过电位为0.81 V。通过对原子结构和电子结构的理论研究，本文阐明了聚苝酰亚胺光催化析氧反应的活性起源，为高效光催化析氧聚合物光催化剂的设计和改性提供理论指导。

介孔碳载体可通过纳米孔限域Pt沉积缓解磺酸根中毒问题，但其形态特征对氧传输的影响机制尚不明确。本研究结合碳载体形态模拟与改进的催化层团聚体模型，构建了阐明催化层孔结构演化、Pt利用率及氧传输过程的数学模型。结果表明，局部传质阻力主要由三个因素主导：（1）决定氧通量的活性位点密度；（2）决定最短传输路径的离聚物膜厚度；（3）影响实际路径长度的离聚物-Pt表面积比。在低离聚物/碳比例（I/C比）条件下，活性位点不足导致局域传输阻力显著增加（因素1主导）；而高I/C比虽提升离聚物覆盖率，但膜厚增大会削弱传质（因素2-3主导）。大尺寸碳颗粒因降低外比表面积并增加离聚物厚度，导致局域传质阻力净升高。随着纳米孔内Pt占比或Pt质量分数增加，孔内Pt密度升高加剧孔道堵塞，导致活性位点减少并增加离聚物厚度及表面积，进一步增大传质阻力。同样地，Pt载量降低导致活性位点减少，氧传输阻力线性增加。本研究强调需协同优化载体形态、Pt分布及离聚物含量，在平衡催化活性与传质效率的同时抑制孔道堵塞，研究结果可以为高性能介孔碳催化剂设计提供系统化理论指导。

使用陶瓷电解质的全固态锂离子电池（LIBs）被认为是理想的可充电电池形式，因为它们具有高能量密度和安全性。然而，在追求全固态LIBs的过程中，锂资源层面的问题往往被选择性的忽视了。最具实用化潜力的富锂陶瓷电解质会使得全固态LIBs的锂消耗量是常规LIBs的数倍至数十倍。考虑到以当前的锂资源条件很难支撑全固态锂离子电池的可持续发展，另一种同样能够提供高能量密度和安全性双重优势的系统——全固态钠离子电池（SIBs），相比于锂离子电池具有更显著的可持续性优势，并有可能成为下一代高能量密度电池发展竞赛中的有力竞争者。然而，目前关于全固态钠离子电池的研究依然处于十分初步的阶段，本文简要介绍了全固态SIBs的研究现状，并通过对聚合物类材料，钠超离子导体（NASICON）类材料等固态钠离子导体的总结讨论，解释了全固态SIBs的可行性与潜在优势的来源。此外，本文还简要讨论了通过人工智能辅助开发固态钠离子导体的可行性，旨在激发研究人员的兴趣并吸引更多人关注到全固态SIBs这一领域中。

碱性水电解制氢是现今最为成熟的水电解制氢技术。电解槽由多个电解小室组成，单个电解小室由隔膜、电极、双极板和端板等组成。现有工业的双极板流道结构为凹凸结构，通过模具冲压成型制备，制备成本高且困难。凹凸结构电解小室存在电解液流动不均匀和电流密度低的问题，进而增加了碱性水电解制氢的能耗和成本。因而，本文首先根据现有工业的凹凸双极板流道结构搭建电化学和流动模型，分析电解小室电流密度、电解液流动和气泡分布情况。模型可靠性已通过与文献实验数据对照验证。其中，电化学电流密度决定了气体产率，气体在电解液中流动反过来影响电化学反应活性比表面积和欧姆电阻。结果表明，凹凸结构电解小室凹球底部流动速度几近为零，凸球表面电解液流速较大，流道结构中存在旋涡，电解液分布不均。接着，建模优化碱性水电解槽的流道结构，比较了凹凸结构、网状、菱形和膨胀网结构电解小室电化学和流动性能。结果表明，膨胀网结构电解小室电流密度最大，为3330 A/m²，电解液流速最大，为0.507 m/s。相同电流密度下，过电位最小，能耗最低。本文对碱性水电解槽流道结构的全面理解和优化提供一定的指导意义，为大规模电解槽设计提供理论基础。

镁（Mg）在地壳中的储量丰富且理论体积容量高，这使得其在储能领域备受关注，特别是在固态电池中，它极具发展潜力，可作为锂（Li）的替代品。然而，镁离子在固态电解质（SSE）中传导缓慢，这是阻碍镁离子固态电池发展的关键挑战之一。近年来，各种传导镁离子的SSE被广泛报道，但很难从单一的文献报告中得出关键的信息。此外，进一步阐明镁离子SSE的结构与性能关系是有必要的，这将为SSE提供更精确的设计指南。在这篇文章中，我们基于数据挖掘分析了过去四十年报道的具有高离子电导率的镁基SSE的结构特征，总结了三个优化镁离子固态电解质的策略。基于实验和理论计算技术的发展，讨论了现阶段开发镁固态电解质的机遇和挑战，论述了实验、理论计算和机器学习在开发新型高性能镁离子SSE过程中的协作过程。我们为优化和开发下一代镁离子固态电解质提供了大数据见解。

金属/氧化物的界面能带排列对于理解电化学界面有至关重要的作用。本文介绍了如何基于从头算分子动力学模拟得到金属/氧化物-水界面的能带排列。计算能带排列可与实验能带排列直接进行比较，以获得该电位下分子层面上的理解。金属界面的能带排列可与实验测定的零电荷电位对比，半导体氧化物界面的能带排列可与实验上零电荷点下测定的平带电势相比较。

电化学沉积和电化学腐蚀的核心问题是不同电压/电荷作用下的电极/电解质界面行为，其控制量是溶解/沉积反应路径的势垒，但是势垒的测量和计算难度比较大。本文采用密度泛函和连续介质耦合方法研究了不同加载电荷面密度下平整表面和含阶梯表面的Cu（111）面薄板电极直接和间接溶解/沉积两种路径的能量形态。结果发现，不同加载电荷面密度下溶质Cu原子在Cu（111）面的表面扩散和溶解过程中初末态能量分别和最高过渡态能量存在简单的线性关系，符合经典的Brønsted-Evans-Polanyi关系。在直接/间接溶解和沉积过程中，势垒和加载的电荷面密度呈线性或二次函数关系。通过这些表达式可以直接从稳态能量计算溶解/沉积和表面扩散的势垒，也可以直接计算不同加载电荷面密度下的势垒，极大的降低实验和计算工作量。通过拟合公式计算出不同临界加载电荷面密度时的势垒大小可以得出：对于溶解过程中，随着加载电荷面密度逐渐增大至0.135 |e|/Ų，阶梯处原子首先以直接溶解的方式进入到电解质溶液中；对于沉积过程，随着加载电荷面密度降低至0.105 |e|/Ų，电沉积首先发生在平整表面，并可越过较低的表面扩散势垒移动至台阶处，表面扩散是速率控制步骤。当加载电荷面密度进一步减小为0.086 |e|/Ų，此时的沉积方式以直接沉积到阶梯位置为主。

电化学还原硝酸盐过程关键在于该废水处理过程中参数的有效控制。基于硝态氮电化学还原的测试数据和各参数间的相关性，得出与出水效果密切相关的四因素，即反应时间、初始浓度、初始pH和电流密度，采用BP神经网络算法建立了电化学法还原硝态氮的预测模型，并验证了模型的准确性。结果表明，4-7-1型BP神经网络网络构型最优，模型预测的去除效果与实测值相吻合，R²为0.9095。利用BP神经网络模型对参数调控，可以优化电化学处理过程：对电流密度进行阶段性调控，在相同处理量下可降低15%的能耗；在水质波动情况下进行电流密度控制，在相同处理时间内可保证出水达标。该研究结果可以为智能控制电化学去除硝态氮的过程提供参考。