在此期間，周小平博士在國際上率先開展了材料化學領域的高通定量組合化學研究，成為開始從事該領域研發的五人之壹。發表多篇論文，獲世界各國專利30余項，發明了世界上第壹個能同時進行50個催化反應的平行反應系統和能同時進行100至600個化學反應的高溫高壓反應系統，設計了苯胺合成新工藝、催化劑庫的壹系列制備方法和高通定量化學。在此期間，周小平博士完成了與陶氏、巴斯夫、拜耳國際公司3600萬美元的合作研究項目，並獲得三項公司之星大獎。
2000年，周小平獲得加州大學博士學位。之後繼續在Symyx Technologies從事研究工作，並於2000年底加入美國GRT公司，負責天然氣合成液體燃料油及其中間體的研究。受聘為公司首席科學家和科學顧問，開展科學研究和科研管理工作，申請發明專利15項，發表論文多篇。
2002年4月回國後，周小平教授在湖南大學從事科研和教學工作，並先後與化學化工學院的同事從事學科建設。獲得兩個學科博士點和化學工程壹級博士點，引進了晁子升博士和尹雙峰博士。周小平教授在我校工作期間，申請發明專利11項，在國際期刊發表論文十余篇。目前負責國家自然科學基金面上項目壹項，國家自然科學基金重點儀器專項壹項，教育部新世紀優秀人才計劃基金壹項。特別是承擔了國家自然科學基金項目——納米多孔膜光催化氧化凈化水和空氣的研究。現在，他已經成功設計並組裝了壹個可以同時進行100多個催化反應的組合式化學光催化反應器和壹個熒光成像高通質譜分析系統。這個系統的配件是國產的，進口的，自己設計的，軟件是自己設計的，已經在研究工作中使用。同時，周小平教授還從事與國家能源戰略項目密切相關的碳資源綜合利用和新能源開發研究。由於天然氣的主要成分是甲烷，甲烷的分子結構非常穩定，很難活化，傳統化工采用天然氣蒸汽重整的方法，這是壹個高耗能的過程，並產生大量的二氧化碳。學術界和工業界壹直在尋求壹種低能耗的工藝，將甲烷轉化為便於運輸的液體燃料或合成中間體。周小平教授的研究主要針對天然氣中的甲烷轉化，研究工作進展順利。設計的新工藝可以通過催化過程將甲烷轉化為二甲醚、乙酸或液態烴燃料，應用前景十分廣闊。