1. 量子态分辨的基元化学反应动力学
在实验上发展了精准选控分子振动激发态和立体取向的交叉分子束技术，理论上发展了多原子量子反应动力学理论和计算方法。通过实验与理论的结合，做出了一系列原创性、突破性的研究成果：首次计算了一个四原子反应的微分截面；首次在振动激发态反应中发现了化学反应共振态；首次发现了化学反应中的几何相位效应，并提出利用其来研究化学反应中干涉现象。发表论文200余篇，包括Science 5篇、Nat. Chem. 2篇等，使我国在研究方向处于世界领先水平。F+H2反应的研究成果已被应用于新HF化学激光的研发，为新一代化学激光的发展提供了理论基础。
2. 生物分子体系动力学与功能机理的理论研究
提出了计算速度与精度均衡的分子模型概念，建立了新型高精度粗粒化分子模型，为超大型复杂生物体系的理论模拟开辟了新道路；发展了增强型采样新方法并与计算机图形芯片加速紧密结合，实现了软硬件协同加速的高效生物体系模拟新方法。综合利用不同尺度计算方法，全景式地定量解析了多种复杂蛋白酶与核酸酶工作的微观机理，成功预测了重要蛋白质复合物的空间结构及生物活性小分子的新功能，发现了具有良好生物活性的小分子，真正做到了理论预测和指导实验。发表论文100余篇，包括Science 1篇、Nature 2篇等，授权专利6项，软件著作权15项。
3. 分子激发态动力学与机理研究
利用自主研发的超快时间分辨光谱技术和理论计算紧密结合、相互验证，创新性地提出了一系列复杂体系激发态动力学新机理：首次提出了激发态氢键动力学影响的荧光光谱移动机理；提出了溶液中激发态电子转移调控的荧光变化机理；提出了非绝热电子跳跃理论方法。同时研究了光电材料的激发态载流子动力学机理，阐明限制其光、电性能的关键动力学因素。发表论文200余篇，包括JACS 8篇、Acc. Chem. Res. 4篇、Nat. Protoc. 1篇、Nat. Commun. 1篇、Angew. Chem. Int. Ed. 9篇、Chem. Sci. 1篇、Adv. Mater. 2篇、JPCL 14篇等；出版5部中英文学术专著，申请专利和软件著作权70余件。基于基础研究源头创新的动力，我们还发展了“飞秒超快分子光谱技术” 和“荧光探针专利技术”，共作价2377.72 万元，成功技术入股中科院大连化物所控股公司“张家港产业技术研究院有限公司”。研制出的高分辨瞬态光谱仪，已在北京大学和复旦大学等众多高校和研究机构使用。发展的理论计算方法被“深圳晶泰科技有限公司”成功用于大π共轭药物分子的晶体结构预测。
4. 表面光催化动力学
利用自行研制的双光子光电子能谱和高灵敏度质谱等表面分析技术，结合扫描隧道显微镜和理论计算，在国际上率先从原子分子层次对TiO2表面的光催化反应基元步骤和电子结构进行了深入系统的研究，首次在单分子水平给出了甲醇在TiO2(110)表面光催化解离的直接证据，揭示TiO2中Ti3+对应的激发态电子结构及其对光吸收的影响和提出新的光催化模型。发表论文50余篇，包括JACS 5篇, ACS Catal. 1篇, Chem. Sci. 2篇, JPCL 4篇，受邀在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Energ. Environ. Sci., Adv. Mater., Annu. Rev. of Phys. Chem.杂志撰写综述论文5篇；受邀在高登会议、分子能量传递国际会议、表面动力学国际会议等学术会议上做报告。
5. 光电转换动力学
针对目前光电器件缺乏深刻机理解析的普遍问题，实验室率先开展了“可视化动力学”研究。通过构建基于荧光扫描的光谱新方法，突破了以往动力学研究的普遍模式，将载流子在光电转换材料（如有机-无机钙钛矿等）中的输运动力学以可视化的形势直接呈现。此外，针对常规光电器件的两条主要效率损失途径（带隙以下低能光子的透过损失和带隙以上高能光子激发热载流子的驰豫损失），采用先进的时间分辨光谱技术在纳米/分子层面测量和调控电荷/能量转移动力学。基于这些动力学调控，实现了高效率的激发态倍增与提取、热电子转移及光子上转换等。研究成果发表论文70余篇，包括JACS 10篇、Nat. Commun. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3篇、Nano. Lett. 1篇、Chem. Sci. 3篇、ACS Energy Lett. 2篇、Chem. Mater. 2篇、JPCL 10篇等；申请专利30余件。
