1.基于轨道杂化各向异性理论开发新型光能转化材料

半导体材料的电子结构决定其对太阳能光谱的吸收特征，光生电子空穴对电极电位，及其激发、迁移和复合的过程。基于半导体能带理论，上述物理过程取决于材料的带隙、费米面的位置及电子有效质量这些基本电子结构特征。经过多年的深入研究，我们逐渐认识到通过s-p杂化可以获得合适电子结构，有利于提高材料的光吸收和电子空穴迁移率，从而获得高效的光能转化材料。主要的物理思想是：s-p杂化轨道在空间具有各向异性的特征，通过选择合适元素可以在价带顶和导带底形成曲率较大能带。这样就有可能获得较低的有效质量，从而获得高的电子空穴迁移率。有望获得高性能的光电能源转化材料。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

代表性文献：

[1]     Liang Wang, Weichang Hao*, et al., Monolayer Epitaxial Heterostructures for Selective Visible-Light-Driven Photocatalytic NO Oxidation Advanced Functional Materials 2019, 29：1808084(Cover story)

[2]     Li Wang, Weichang Hao*, et al., Promoting Photoreduction Properties via Synergetic Utilization between Plasmonic Effect and Highly Active Facet of BiOCl Nano Energy 2019, 57: 398–404

[3]    Shan Wang, Weichang Hao*, et al., A non-enzymatic photoelectrochemical glucose sensor based on BiVO₄ electrode under visible light Sensors & Actuators: B. Chemical 2019, 291: 34–41

[4]     Zhongfei Xu, Weichang Hao*, et al., s-p orbital hybridization: a strategy for developing efficient photocatalysts with high carrier mobility Science Bulletin 2018, 63: 465-468

[5]     Jun Shang, Weichang Hao*, et al., Bismuth oxybromide with reasonable photocatalytic reduction activity under visible light ACS Catalysis 2014, 4: 954−961

2.缺陷电子态的研究表征

在纳米尺度范围下，材料的比表面大，表面失配和低配位原子必然存在。纳米材料表面缺陷类型十分丰富，包括表面原子失配、表面极化、表面非晶化、表面掺杂与杂质吸附、表面空位及复合空位等，这些缺陷对半导体材料的电子结构、光谱吸收及光生电子空穴的激发、迁移和复合的过程均有重要的影响。这些缺陷由于具有微区化，电子态密度极低特点，对于这些表面缺陷缺乏有效的研究手段，更谈不上有效控制。因此，目前纳米能源材料的研究与开发面临一个最大挑战便是如何有效的监测和控制材料的缺陷类型、缺陷浓度及分布。

代表性文献：

[1]    Yajun Zhang, Zhongfei Xu, Weichang Hao*, et al., Direct Observation of Oxygen Vacancy Self-Healing on TiO₂ Photocatalysts for Solar Water Splitting Angewandte Chemie International Edition 2019, 58: 14229 – 14233

[2]    Fei Guo, Weichang Hao* et al., Evidence for dynamic relaxation behavior of oxygen vacancy in Aurivillius Bi₂MoO₆ from dielectric spectroscopy during resistance switching Journal of Materials Chemistry C 2019, 7: 8915-8922

[3]    Dandan Cui, Weichang Hao*, et al., Band-gap engineering of BiOCl by oxygen vacancies for efficient photooxidation properties under visible-light irradiation Journal of Materials Chemistry A 2018, 6: 2193- 2199 （高被引文章）

[4]    Haifeng Feng, Weichang Hao*, et al., Shixue Dou Modulation of Photocatalytic Properties by Strain in 2D BiOBr Nanosheets ACS Applied Materials & Interface 2015, 7: 27592−27596

 3.扫描隧道显微镜（STM）研究

表面原子缺陷、吸附分子的原位表征、电子态的观测及原位电化学过程检测。

代表性文献：

[1] Mengting Zhao, Bin-Bin Chen, Yilian Xi, Yanyan Zhao, Hang Xu, Hongrun Zhang, Ningyan Cheng, Haifeng Feng,* Jincheng Zhuang, Feng Pan, Xun Xu, Weichang Hao, Wei Li,* Si Zhou, Shi Xue Dou, and Yi Du* Kondo Holes in the Two-Dimensional Itinerant Ising Ferromagnet Fe3GeTe2 Nano Letters 2021, 21, 6117−6123

[2]Yani Liu, Nan Gao, Jincheng Zhuang, Chen Liu, Jiaou Wang, Weichang Hao, Shixue Dou, Jijun Zhao, Yi Du, Realization of Strained Stanene by Interface Engineering, Journal of Physical Chemistry Letters 2019, 10: 1558−1565

[3] Haifeng Feng, Zhongfei Xu, Jincheng Zhuang, Li Wang, Yani Liu, Xun Xu,* Li Song, Weichang Hao, and Yi Du* Role of Charge Density Wave in Monatomic Assembly in Transition Metal Dichalcogenides Advanced Functional Materials 2019, 29：1900367

[4] Haifeng Feng, Zhongfei Xu, Long Ren, Chen Liu, Jincheng Zhuang, Zhenpeng Hu, Xun Xu, Jun Chen, Jiaou Wang, Weichang Hao*, Yi Du, Shi Xue Dou Activating Titania for Efficient Electrocatalysis by Vacancy Engineering ACS Catalysis 2018, 8: 4288−4293