电化学能源转化能质传输特性及性能强化的主要围绕燃料电池（微生物燃料电池MFC、热再生电池TRAB）及电合成制可再生燃料（析氢系统HER、二氧化碳还原系统CO₂RR）展开了系统性的研究工作。

微生物燃料电池高性能电极构建及电池性能强化 针对微生物电化学系统中生物电极性能低的问题，创新性地提出采用具有良好电化学特性的金属铜作为阳极材料，首次采用恒电位转电阻的“两步法”，成功启动铜基生物阳极，使MFC电池功率密度达到12 W m^-2。针对生物阴极产甲烷菌附着量低、催化反应速率低的问题，基于3D打印方法，构建了石墨烯多级梯度孔隙电极，有效促进了生物/非生物电极之间的界面电子转移速率、三维电极生物阴极内物质传输速率，显著提高了活性生物量，并获得了1.7 mol/m²/d的产甲烷速率。

多孔复合电极热再生电池物质传递调控及性能强化 针对热再生电池电极结构不稳定、电极反应速率缓慢和物质传输缺乏调控等问题，构建了具有分级多孔表面的Cu/Ni复合电极，研究孔隙结构和表面积与多孔电极内物质传输相互作用关系。分级多孔Cu/Ni复合电极具有较大电极面积、分级孔结构和稳定电极骨架，有利于热再生电池的电化学反应和物质传输，获得目前最高的电池产电功率（1002 W/m²）。

高性能电催化析氢技术及传质机理研究 针对析氢电极气泡覆盖活性位点导致性能受限问题，构建了生长有MoS₂/Ni₃S₂纳米棒状催化剂的分级多孔的梯度孔隙析氢电极。可视化结果表明，内大外小的梯度孔隙结构具备优异的气泡脱附特性。根据氢气泡动力学分析结果，证明了气泡粘附力梯度可以使孔道内气泡快速排出，并降低气泡平均脱附尺寸（~74.5 μm），从而有效避免了传输孔道堵塞及活性位点占据，使析氢电极展现出优异的电催化析氢活性（10 mA/cm²过电位83 mV）及耐久性能（18 h无明显衰减）。

电催化CO₂还原界面工程设计 针对CO₂RR法拉第效率低、电流密度低的问题，提出了具有超疏水界面特性的Cu/Sn双金属纳米线电极，有效的扩展了电极-电解液界面间的气-液-固（CO₂-电解质溶液-电子）三相反应界面。在-1.2 V vs. RHE电位下将电化学CO₂还原产甲酸的法拉第效率提升至94.17%，相对于对照组超亲水电极（甲酸法拉第效率为76.44%），效果提升了23%，优于或可媲美于同期报道的CO₂还原催化剂。