由于誓言的问题，他拒绝了这一职务。1668年，波义耳离开了牛津，前往他妹妹位于伦敦蓓尔美尔的宅邸居住。他在这里也建立了自己的实验室，主要进行化学方面的实验，努力把严谨的实验方法引入化学。1673年波义耳和胡克对物质的燃烧进行了研究，发现在真空情况下，物质无法燃烧。波义耳根据燃烧实验的结果，写成了论文《关于火焰与空气关系的新实验》，最先揭示了空气是燃烧的必要条件。但是他仍然认为燃烧是火与物质之间的作用。另外波义耳还发现了某些植物的色素可以在酸性和碱性条件下出现不同的颜色，从而引入指示剂的概念。Sect