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拓扑量子材料由于具有受晶体对称性保护的金属表面态、费米弧、自旋-动量锁定螺旋性等奇异性质，是凝聚态物理学的热门研究领域。鉴于其特殊的能带结构和拓扑性质，拓扑量子材料在信息、传感、能源等诸多方面有广阔的应用前景。近日，酷游官方app入口罗惠霞教授应Nature Reviews Physics期刊的邀请，与中国科酷游官方app入口宁波材料技术与工程研究所李国伟研究员和酷游官方app入口环境科学与工程酷游官方app入口严凯教授合作，发表了题为“Topological quantum materials for energy conversion and storage”的Perspective论文，对拓扑量子材料在能源催化、电池、超级电容器等方面的研究进展和挑战做了评述，同时展望了该领域的重要发展机遇。

图一：拓扑量子材料应用于析氢反应。

(a) 拓扑手性半金属CoSi的(111)面的顶视图。晶体手性来源于Co和Si原子在[111]方向上的螺旋排列。(b) Γ点的四重简并自旋-3/2 RSW费米点和R点的六重简并双自旋-1外尔点。(c) 金属硅化物和其他典型拓扑材料在10 mA cm^-2电流密度处的过电位和塔菲尔斜率的散点图。(d) 各种拓扑材料在特定晶面的火山图。(e) NiSi的混合外尔点的能带分散三维图。(f) H吸附前后NiSi的(001)表面态的对比。

作为一个新兴的研究领域，拓扑量子材料（如拓扑绝缘体、拓扑半金属）由于具有受保护的高稳定的表面态，在能源存储与转化领域受到越来越多研究者的关注。近年来，一些拓扑材量子材料已经被证实是高性能的催化剂以及高容量的电极材料。这一领域的快速发展，一方面得益于拓扑量子新材料的发现，另一方面也与相应的拓扑理论的发展密不可分。

结合近年来拓扑量子材料在催化及能源存储领域的研究进展，该综述系统介绍了拓扑绝缘体、拓扑半金属和d带拓扑材料在能源催化方面的优势和突破性进展（如图一），并总结了各种材料室温下的电导率和载流子速率。综述进一步拓展了拓扑量子材料在电池、超级电容器和有机/无机物小分子转化等方面的应用。基于该课题组的经验，总结归纳了拓扑量子材料在能源存储与转化领域容易出现的问题，并提出了拓扑量子材料有可能在能源相关领域，例如生物质转化以及固氮方面有所应用。

尽管这个领域发展快速，但是拓扑态与能源存储与转化之间的关系仍不明确。

与探索拓扑性质（如电阻率和各种霍尔效应）不同，化学反应通常在较为苛刻的条件下进行下（酸性、碱性甚至高温），这使得原位观察拓扑效应成为一项艰巨的任务。同时这个领域也蕴含着取得重大实验突破的机遇，高质量的单晶的制备以及各种原位观测技术的发展终将揭开拓扑态和能量存储与转化之间的关系。虽然挑战重重，但是拓扑量子材料在能源存储与转化方面的应用的发展不仅具有科学意义，同时也具有广阔的应用前景。

文章以“Topological quantum materials for energy conversion and storage”为题，2022年7月11日在线发表于Nature Reviews Physics的“Perspective”栏目。罗惠霞教授为第一作者兼通讯作者，博士研究生余沛峰为第二作者，李国伟研究员以及严凯教授为共同通讯作者。

相关研究得到国家自然科学基金优秀青年基金、广东省自然科学面上基金、广东省重点领域研发计划项目、广东省高等酷游官方app入口珠江学者岗位计划、广州市科学计划项目、酷游官方app入口百人计划和中国科酷游官方app入口宁波材料技术与工程研究所所长基金等基金的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42254-022-00477-9

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军