长期从事化学化工领域的研究，负责研制的新型催化剂广泛应用于我石油化工等领域，三次以第一完成人获国家技术发明二等奖。近期主要从事无毒推进剂催化分解技术、生物质催化转化、单原子催化和纳米催化等方面的研究；所率领的团队在国际上首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应(Angew.Chem.Int.Edit.,2008,47，8510–8513)； 率先提出“单原子催化(Single-Atom Catalysis)”的概念(Nature Chemistry,2011,3,634 - 641)；近期有关单原子催化的研究成果被美国化学会化学工程新闻(C&EN)评选为2016年度化学化工领域“十大科研成果(Top Research)”。已在国际期刊上发表论文四百余篇，申请发明专利两百余件。 曾任或者现任的主要学术兼职有：国家973项目首席科学家，国家863计划专题专家组副组长，中国石油学会副理事长，中国空间科学学会副理事长、空间材料专业委员会副主任，中国化学会催化委员会委员，英国皇家化学学会会士，中法可持续能源联合实验室中方主任，Mössbauer Effect Data Center主任，化学工程联合国家重点实验室学术委员会副主任，国际期刊Applied Catalysis B: Environmental、ChemPhyChem、ACS Sustainable Chemistry & Engineering和Industry & Engineering Chemistry Research编委或者顾问编委，《催化学报》共同主编。 曾获中国科学院“参加载人工程突出贡献者”称号，是首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选。2003年获国家自然科学杰出青年基金，2008年获中国催化青年奖，2009年获全国“五一劳动奖章”、周光召基金会“应用科学奖”和中国科学院杰出科技成就奖，2016年获何梁何利科技进步化学奖，2018年获首届“中国科学材料·创新奖”，同年当选为发展中国家科学院院士，2020年当选加拿大工程院院士。