二维材料粉体具有比表面积大、催化活性位点丰富、易于溶液加工、微结构可调等特性，在能源、电子器件、催化和环境等领域展现出巨大的应用前景。高品质二维材料粉体的低成本、批量化、微结构调控制备是发展其大规模应用的重要前提。本文总结了基于硅藻土模板法制备二维材料粉体(如石墨烯、石墨双炔、过渡金属氮化物、过渡金属硫属化合物粉体)的研究进展；介绍了所获得的二维材料粉体在能量存储器件、印刷电子学、电催化析氢、废水处理等领域的应用研究；最后讨论了基于硅藻土模板法的二维材料粉体制备研究中尚存的问题与挑战，以及二维材料粉体可能的应用方向。

锂金属电池因能量密度高被认为是极具发展潜力的储能电池之一。然而锂金属负极上锂枝晶的生长会导致容量衰减甚至安全问题。为此, 将凹凸棒石负载至纤维膜上应用于锂金属电池的负极保护, 组装成对称电池及磷酸铁锂全电池进行电化学测试。结果表明: 添加凹凸棒石的纤维膜可有效抑制锂枝晶的生长, 其对称电池在沉积容量为1 mA·h/cm2、电流密度为2 mA/cm2下循环500 h时极化电压仅为83.2 mV, 1 C倍率下加入凹凸棒石纤维膜的全电池循环1 000圈后放电比容量仍有84.92 mA·h/g。综上, 凹凸棒石对锂枝晶有抑制作用, 为锂金属电池负极保护提供了新思路。

多孔硅具有比表面积大、发光性能良好等特点, 目前对于多孔硅的研究已经涉及到生物与化学传感器、药物递送、光催化、能源等领域。多孔硅中的孔隙可有效缓解硅在锂化时的体积膨胀, 缩短锂离子从电解液向硅本体扩散的距离, 促进高电流密度下的充放电过程。因此, 多孔硅在储能领域得到了广泛研究与发展。但是一些挑战仍然存在, 如制备成本、刻蚀机理、多孔结构的调控、多孔硅的电化学性能等还不能满足商业化应用的要求。本文对目前国内外多孔硅制备方法的研究进行了综述, 并详细介绍了多孔硅在锂离子电池领域的应用。最后, 对多孔硅材料在储能领域的发展进行了展望。

从微观多孔结构设计的角度出发，以ZIF-8为碳化前驱体，采用BiCl3对硬碳微孔、介孔结构进行调控，实现了分级多孔硬碳结构的可控设计与调控优化，有效提高了Na+的扩散能力，提高了钠离子动力学。结果表明：该分级多孔碳表现出优异的倍率性能，在2 A/g和5A/g时，可逆比容量分别为225 mA·h/g和177 mA·h/g。通过分级多孔硬碳微孔和介孔结构对储钠过程影响机制的研究发现，微孔结构有利于平台区Na+的扩散；介孔结构主要通过增大比表面提供更多的缺陷位点，促进Na+的吸附，提升斜线区储钠容量。

本文基于三周期极小曲面(TPMS)进行不同单元类型梯度孔隙率结构的优化设计，并进行静力学及粉末流体仿真，用于对比两种单元的应力集中程度和粉末流通能力。通过对比不同梯度孔隙率的两种单元发现，由于支柱设计类型不同，primitive单元相较于gyroid单元有着更优异的力学性能；5%梯度孔隙率(45%～50%)设计在两种单元中均有着最优的力学性能；相对于均匀孔隙率的gyroid单元多孔结构，5%梯度孔隙率primitive单元多孔结构的杨氏模量为7.34 GPa，仅提升了约3.93%，但其平均屈服强度可达到444.85 MPa，大幅提升约63.42%，平均抗压强度为606.57 MPa，提升了75.20%。本研究发现，屈服强度与有效支柱尺寸的相关性较强，抗压强度与应力集中程度的相关性较强。选择合适的多孔单元类型在与加载方向成45°夹角的位置进行孔隙率梯度调整，可使整体结构具有合适的孔径和支柱直径、优良的抗压能力、较小的应力集中程度以及较优异的粉末流通能力，最终可显著提升整体结构的力学性能。

以激光粉末床熔融(LPBF)技术成形的316L不锈钢体心立方型(BCC)多孔结构为研究对象，利用有限元分析法对不同长径比杆件的体心立方型多孔结构进行了准静态压缩过程模拟，分析了其微观力学响应和应力-应变特性。制备了体心立方型316L不锈钢多孔结构样件，对样件进行了准静态压缩试验，分析了具有不同几何参数的多孔结构的应力-应变特性和变形失效机制，并对比分析了仿真和力学试验的结果。研究结果表明：当成形样件杆件的直径从0.4 mm增加到1.2 mm时，杆件直径的相对误差从15.00%下降到6.08%，直径越大，相对误差越小，等效弹性模量从59.87 MPa增加到3356.21 MPa，压缩屈服强度从1.02 MPa增加到33.88 MPa；有限元分析法与力学试验得到的等效弹性模量和压缩屈服强度的平均相对误差分别为9.11%和7.86%。

人体骨骼为层级结构，由密度、强度较高的密质骨和密度较低、内含血管的松质骨组成。因此，人体植入物的结构和力学性能要与人体骨骼特征相匹配。基于人体自然骨的受力情况，采用激光粉末床熔融（LPBF）技术成形了由拓扑优化方法设计的钛合金多孔结构，然后通过压缩实验和数值模拟的方法对多孔结构的力学性能和变形失效模式进行了分析，发现数值模拟与实验结果具有较高的一致性。最后，通过与人体自然骨的力学性能对比，并结合多孔结构的失效模式获得了可适用于人体植入物的多孔材料。

为了研究结构类型和孔隙率对多孔Ti-6Al-4V合金拉伸性能的影响,对激光选区熔化技术成型的体心立方(BCC)、Z方向增强体心立方(BCCZ)和蜂窝多孔结构进行拉伸实验和有限元仿真。结果表明,孔隙率从10.91%提高至33.84%,BCC、BCCZ和蜂窝多孔结构的抗拉强度线性分别下降348.81,375.45,217.20 MPa,结构的最小截面随孔隙率的提高而线性减小,导致拉伸性能线性降低;脆性断裂和截面积的减少使得多孔拉伸件的延伸率相对于实体结构呈大幅度下降;蜂窝多孔结构的拉伸性能明显优于BCC和BCCZ结构,比强度均随孔隙率的提高而增大,而且仿真与实验结果在规律性和弹性阶段较吻合。

作为染料敏化太阳能电池的关键构成部分, 对电极一直是研究的重点, 尤其是硒化物对电极。本文采用恒电位沉积-溶剂热-硒化过程制备出钴镍基硒化物薄膜, 并直接作为染料敏化太阳能电池的对电极。物相、形貌以及表面元素价态等分析表明, 在氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃上可直接获得NiCoSe4薄膜, 该薄膜是一种由纳米颗粒构成的片状多孔结构。电化学测试结果表明, NiCoSe4薄膜在基于I-/I-3氧化还原电对的电解液中具有良好的电催化活性, 由其构成的电池器件也展现出了良好的光伏性能, 且光电转换效率达到了7.84%, 高于铂基电池器件效率的6.95%。