1. 纳米碳材料（碳量子点、碳纳米管、石墨烯等）
本方向致力于功能型纳米碳材料的结构设计、可控制备、物理表征及其在能源存储与转化领域的应用研究。重点探索零维碳量子点、一维碳纳米管、二维石墨烯及三维碳材料的微纳结构调控规律，并利用先进表征手段和分子模拟方法研究纳米碳材料结构与性质之间的关联。以应用为导向，从原子掺杂、缺陷构筑、表面修饰、宏观组装等角度实现对纳米碳材料结构、性质、批量制备等多方面的调控。
2. 多孔材料（多孔碳材料、金属有机框架材料MOFs）
本方向致力于新型多孔材料（金属有机框架材料和炭基骨架材料及其复合物）的设计、合成及其性能开发，包括：多孔活性炭材料的设计合成和微纳结构调控规律研究；多孔膜材料的设计合成与制备；MOFs衍生碳材料的结构设计及其在储能领域的应用研究；MOFs材料及其衍生物在环境、催化和分离等领域的应用研究。
3. 能源存储（超级电容器、锂/钠/钾离子电池、固态电池）
本方向致力于新型储能体系（超级电容器、锂/钠/钾离子电池、固态电池等）关键材料的开发及其在实际应用过程中“卡脖子”技术的突破性探索。从基础理论角度，探索电极材料微纳结构设计与电化学性能之间的本质联系，结合电极/电解质界面、离子/电子传输动力学等研究，重点阐明新型储能体系的容量衰减机制。从应用研究角度，针对目前能源储存的市场需求及商业锂离子电池的性能瓶颈，开发具有替代性质的新型储能方案，并对其关键材料进行可控制备。
本方向致力于设计、合成具有特定形貌和结构的新型纳米材料/碳基材料作为高性能的催化剂用于能源的催化转化，包括：基于新型液态有机氢能源载体实现可逆储氢的高效催化剂的开发；新能源催化（氢能源）；二氧化碳的资源化利用和绿色催化；水裂解制氢技术关键催化材料开发；燃料电池和锌-空电池关键催化材料开发以及电催化氮气还原合成氨的研究等。