1、水分子极紫外光解离动力学研究
水分子科学是当今世界最前沿的科学难题之一，水分子光解离产生的OH自由基是星际中羟基的重要来源，水分子三体解离产生的氧原子是星际和行星大气中氧气的重要来源之一。因此，气相水分子的极紫外波段光化学解离对于星际化学领域的研究具有重要的意义。中国科学院大连化学物理研究所袁开军研究员﹑杨学明院士团队与南京大学谢代前教授等团队合作，基于大连相干光源超高亮度的极紫外激光光束，在大连相干光源分子光化学实验站上开展了水分子极紫外波段光解离系列研究，这在国际上尚属首次。
在111.5nm光解中，水分子被激发到F电子态，科研人员测量了水分子在F电子态的解离产物OH的量子态分布和空间角分布。实验结果显示，水分子在F电子态的解离涉及到复杂的非绝热解离动力学过程。水分子在高里德堡态的光解动力学研究在星际化学和大气化学中有重要的作用，可以对行星大气演化的研究提供基础光谱数据。该研究成果发表于J. Phys. Chem. Lett.（2018），并被选为Editor’s pick。
羟基自由基（OH）是星际介质和行星大气中最重要的分子之一，其性质活泼，能和大部分原子和分子发生反应。但是星际中超热的高转动激发羟基自由基的来源一直困扰着天文学家。科研人员发现，在极紫外光照射下，水分子会生成大量的处于高转动激发态的OH自由基，部分OH自由基的转动能甚至超过了OH化学键的解离能，实验上称其为“超级转子”。在115.2nm光解中，科研人员发现了迄今为止最热的羟基自由基产物，通过与理论研究合作解释了其动力学来源。该实验结果表明水分子的极紫外光化学过程有可能是星际中超热的羟基自由基的来源，对星际化学的研究具有极为重要的意义。该工作发表在Nature Communication（2019）刊物上。
2、H2O和D2O分子的光解动力学研究
中国科学院大连化学物理研究所袁开军研究员﹑杨学明院士团队与中国科学技术大学王兴安教授、大连海事大学车丽教授等团队合作，依托大连相干光源光化学实验站研究装置，利用先进的H/D原子高里德飞行时间谱结合四波混频技术，首次研究了H2O和D2O分子的光解动力学，得到了态-态动力学图像，发现了同位素选择的偶然共振对动力学的影响。相关研究成果分别发表在Phys. Chem. Chem. Phys.（2020）和J. Phys. Chem. Lett.（2019）等刊物上。
3、中性水分子二聚体红外光谱研究
团簇在能源催化和大气雾霾等诸多化学过程中广泛存在，团簇表征与性能研究对诠释化学反应机理至关重要。目前，离子团簇研究居多，而中性团簇由于缺乏电荷、难于探测，相关实验研究甚少，其瓶颈主要在于缺乏合适的紫外光源。水是生命之源，水分子二聚体(H2O)2是研究冰和液态水氢键作用机制的模型体系。然而，(H2O)2的红外光谱指认仍然存在争议。中国科学院大连化学物理研究所江凌研究员、杨学明院士、张东辉院士团队，与清华大学李隽教授合作，基于大连相干光源中性团簇红外光谱实验站，对(H2O)2中性团簇展开了详细的研究，发现了分辨较好的四组谱峰，与全维势能面动力学计算方法相结合，精确地指认为实验发现的水分子振动模式，诠释了水分子团簇红外谱峰的分布规律。这些研究结果有助于理解复杂体系的红外光谱及结构特征，为中性团簇结构与性能、催化反应中间体和自由基的探测、气溶胶成核机制、生物分子表征等领域的前沿科学研究提供了新的策略。相关成果发表在J. Phys. Chem. Lett.（2020）刊物上。
