李国伟等在Nature Reviews Physics上发表展望文章“拓扑量子材料的能源应用”

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拓扑材料是过去十多年凝聚态物理领域的明星材料之一，研究者们追求其拓扑非平庸的表面态及无耗散的电子传输，并试图在超导技术、量子计算及低能耗器件上实现应用。然而，由拓扑特性导致的表面化学性质一直缺乏相关研究，这也极大限制了人们对拓扑材料的认知与应用。中国科学院宁波材料技术与工程研究所李国伟研究员长期致力于拓扑材料的设计生长与催化应用，系统研究了拓扑绝缘体（Journal of Energy Chemistry, 2021, 62, 516）、磁性外尔半金属(Science Advances, 2019, 5, eaaw9867; Angewandte Chemie, 2021, 133 , 5864)、狄拉克半金属（Angewandte Chemie, 2019, 131, 13241; Advanced Materials, 2020, 32, 1908518）等材料的拓扑表面态与拓扑电子的催化效应，并给出了基于材料本征电子结构的催化活性位点快速判定方法（Advanced Materials, 2022, 34, 2201328）。
　　近期，李国伟研究员与中山大学罗惠霞教授及严凯教授合作，受Nature Reviews Physics高级编辑Ankita Anirban博士的邀请，发表了题为“Topological quantum materials for energy conversion and storage”的展望论文，系统综述了拓扑量子材料在能源催化及储能等领域的应用进展，并提出了基于磁性、磁场等手段的效率优化策略。
　　文章从影响分子在固-液两相界面处的吸附出发，讨论了影响分子成键、电子转移及氧化还原动力学的关键因素。考虑到任何催化和电化学储能等过程均涉及到电子的传递，研究人员认为催化材料的可成键轨道形状、导电性、迁移率、费米面处的电子浓度等因素均可影响化学反应的效率。而得益于拓扑材料独特的受拓扑保护的活跃表面电子态与拓扑电子，使得此类材料成为研究化学反应机理及提升化学反应效率的理想体系。

图1 电子的电荷与自旋属性和电化学反应的关联

图2 拓扑材料中金属活性位点的自旋极化及磁结构与分子吸附与转化密切相关

　　文章从“氢还原”模型反应出发，综述了最早被发现的拓扑绝缘体材料的催化效应。以Bi2Se3为代表的强拓扑绝缘体体系是最先被研究的材料之一，研究证实即使是存在缺陷及表面氧化的情况下，仍然可以保持其拓扑电子结构，并能够和吸附的小分子发生直接电子转移作用。但是受制于化学稳定性及p轨道电子贡献的表面态，造成了表观催化效率的低下。这也催生了接下来人们对拓扑半金属的极大研究兴趣。受益于d轨道电子的参与，使得小分子的吸附、脱附、电子转移可以在较稳定的状态下进行，并发现了多种具有极高本征催化活性的催化材料体系，如手性半金属PtGa等。不仅如此，拓扑材料对多电子转移反应也有着重要的影响，包括水氧化反应、CO2还原以及合成氨过程等。
　　拓扑材料的另外一个重点应用领域是在电化学储能方面。与传统多孔碳电极材料相比，拓扑半金属碳材料可在保持其多孔结构的前提下，仍然具有优异的电导率，对离子在其中的迁移等过程非常有利。因而拓扑碳材料成为了当前电极材料的热门候选体系，包括锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器等。最后，文章总结了拓扑能源材料面临的研究挑战，并展望了磁场以及调控电子自旋极化所带来的积极效果，认为通过磁结构的设计以及自旋这一自由度的引入，可以实现基于小磁场的、面向工业级电流密度的催化材料（如制氢反应）。
　　这一成果以“Topological quantum materials for energy conversion and storage”为题发表在权威期刊Nature Reviews Physics（论文信息：Nat. Rev. Phys., 2022, https://doi.org/10.1038/s42254-022-00477-9）上。通讯作者为中山大学罗惠霞教授、严凯教授，以及中科院宁波材料所李国伟研究员。该研究得到了中科院宁波材料所“团队人才”项目、“所长基金科研项目-青年项目”的支持。
         文章来源：宁波材料所         李国伟研究员博士毕业于格罗宁根大学，并在马普固体物理化学研究所从事博士后研究并担任课题组长。2021年6月受聘于中科院宁波材料技术与工程研究所开展研究工作(https://liujian.nimte.ac.cn/supervisor.html)。围绕着磁性材料的生长设计、缺陷与磁性及电输运性质的关联、拓扑材料的表面化学性质等课题展开了深入的研究。在ScienceAdvances,AngewandteChemie,AdvancedMaterials等国际知名期刊上发表研究论文40余篇。