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氧科学是一门古老而又年轻的综合研究领域，近代材料学的兴起在不断为其注入着持久不衰的活力。新型功能材料的出现促使氧科学在更广阔的时空尺度上实现跨学科交叉，有望提供全新的认识和技术，以丰富和拓宽氧科学的多领域应用。面对其中充满的机遇与挑战，本课题锁定氧还原、氧激发和氧分离三个基本物理化学过程，从功能材料设计与合成的全新角度出发，分别针对肿瘤治疗、臭氧发生和水下呼吸三个特殊领域所面临的挑战，以新材料为媒介提出技术解决策略。主要包括以下研究内容: 第二章:考虑到氧气对于生命的必要性，本章从氧还原的特殊角度提出消耗肿瘤内氧气以窒息癌细胞的设想，并针对肿瘤微环境设计了一种独特的无机纳米除氧剂。在采用自蔓延燃烧法合成注射级Mg2Si纳米颗粒基础上，系统研究了其在溶液、细胞及活体水平的分子氧还原和清除行为。实验表明，Mg2Si纳米颗粒对正常组织无毒无害，但在肿瘤弱酸性微环境中，可被特异性激活而释放甲硅烷(SiH4)，引起组织中的溶解氧及血红蛋白上的结合氧的迅速消耗。同时揭示了原位自聚集形成的SiO2微米级絮状物可阻塞肿瘤微血管，切断外部氧分子和养分供给，进一步防止癌细胞的再氧合。上述协同作用将特异性地导致肿瘤病灶区极度缺氧，切断癌细胞线粒体有氧呼吸的正常能量代谢。这些被窒息的癌细胞可重启p53凋亡通路，并发生典型缺氧导致的纤维化、凋亡和坏死，最终达到显著抑制肿瘤生长的理想治疗效果。该研究为制备特异性纳米除氧剂提供了一种普适途径，同时系统地展示了新型氧还原纳米技术实现古老肿瘤饥饿治疗策略的可行性。 第三章:为实现水分子中氧的电化学激发而高效制备气态臭氧，本章从设计和制备块体多孔铅基电极出发，开发了一种毛细效应支持的“非浸没式”电解水策略。利用新颖的钠合金化-去合金化方法获得多级孔块体铅基体，并通过部分阳极氧化原位负载β-PbO2形成工作电极。这种独特的电极内具有三维连通的多孔网络，使得电解质可以通过理想的毛细效应渗透并浸润整个电极。有趣的是，相比于传统电极全浸没方式，多孔电极部分浸没的电解策略可有效增加阳极析氧过电位，抑制电化学产氧竞争反应，以显著提高臭氧产率。除了臭氧分子析出自由程的降低，阳极反应机理研究还揭示，非浸没部分电极内的电解质中存在高度过饱和的溶解氧，通过产生特殊的臭氧自由基(·O3-)中间体而显著缩短传统的臭氧生成历程。该研究为气态臭氧的生产提供了一种有前景的方法学借鉴，也展示了一种通过结构设计和利用毛细效应调节电极本征电化学行为的途径。 第四章:由于水中溶解氧分子的物理脱附具有众多潜在应用，本章在综合研究自然界水生生物溶解氧汲取行为与关键器官结构功能的启发下，提出聚乙炔薄膜用于分离和收集溶解氧的设想。为此发展了一种铜特异性的新型湿化学沉积技术，实现新型自支撑聚乙炔纳米纤维薄膜的低温制备。合成机理探究揭示了早期亚稳态乙炔亚铜的生成，进一步确认其分解产生的多小面铜纳米晶是催化偶联乙炔的关键。正如预测，利用聚乙炔高密度的共轭π电子，可以有效削弱或破坏水分子与溶解氧分子之间的诱导范德华力，造成溶解氧的自发脱附。而薄膜本征超疏水的表面可同时迅速收集脱附的气态氧分子，防止再度溶解。设计了一种聚乙炔薄膜支持的动态溶解氧消除技术，其在抑制金属管道的吸氧腐蚀和水体微生物污染等工业应用方面表现出潜在价值。更进一步地，利用聚乙炔薄膜的自持式溶解氧捕获效应，以蚂蚁和小鼠为实验对象，成功展示了陆生生物利用聚乙炔实现水下呼吸的理论和技术可行性，为人类无外来供氧的水下生活梦想提供了一种现实策略。