【背景介绍】
随着全球能源需求持续增长与环境问题日益严峻，开发高效、清洁的能源转换技术已成为科研界与产业界的共同焦点。传统能源材料在光催化、光伏及电化学转换中存在效率低、稳定性差等瓶颈。近年来，拓扑量子材料凭借其受拓扑保护的表面态、高载流子迁移率和独特的自旋/动量锁定特性，展现出突破现有能源转换技术极限的巨大潜力，正成为凝聚态物理与能源材料交叉领域的前沿热点。
【文章简介】
近日，来自西安建筑科技大学云斯宁教授“新能源材料”研究团队与合作者在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表题为“Advances in topological quantum materials for energy conversion”的综述论文。云斯宁教授为论文通讯作者，外籍博士研究生Abdullah Nasir为论文第一作者，西安建筑科技大学为论文牵头完成单位，荷兰莱顿化学研究所、巴基斯坦COMSATS伊斯兰堡大学，越南菲尼卡大学等为国际合作完成单位。
该综述系统梳理了拓扑量子材料在光催化水分解、光伏电池和光电化学电池等能源转换系统中的最新研究进展。文章详细阐述了拓扑绝缘体、Weyl/Dirac半金属等材料在氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）中的高效催化机制，指出其受拓扑保护的表面态可显著降低反应过电位、提升电荷传输效率，并在宽pH范围内保持优异稳定性。
研究还探讨了拓扑材料在太阳能电池和光电化学器件中的应用潜力。通过能带工程、异质结构建以及费米弧调控等策略，拓扑量子材料可实现高效的光吸收、电荷分离与传输，有效抑制载流子复合，从而提升光电转换效率与器件长期稳定性。文中所汇总的材料合成方法、性能比较及机理分析为相关领域的实验设计提供了重要参考。
拓扑表面态能够增强各种能量转换应用中的电荷传输，这些应用包括太阳能电池、水分解以及光电化学电池。它能够对减少电荷复合、染料降解、腐蚀以及热损失产生重大影响，从而能够提高系统的功率转换效率。
【观点总结】
1）系统阐述了拓扑量子材料在多种能源转换体系中的统一作用机制，揭示了其拓扑表面态在催化、光电过程中的核心角色；
2）提出了通过能带调控、缺陷工程和异质结构建等手段优化拓扑材料性能的新思路；
3）总结了拓扑材料在宽pH环境及苛刻电化学条件下的稳定性规律，为其实际应用奠定基础；
4）前瞻性地讨论了拓扑超导、高阶拓扑相在能源转换中的潜在价值，拓宽了该领域的研究视野。
【未来展望】
拓扑量子材料在能源转换领域的研究仍处于快速发展阶段，未来通过材料设计、界面工程与器件集成等多维度创新，有望实现更高效、稳定、低成本的能源转换系统。随着对拓扑物态调控机制的深入理解，这类材料或将在绿色制氢、高性能光伏及太阳能燃料合成等领域实现突破，为推动可持续能源技术发展和“双碳”目标实现提供关键材料支撑。
【论文信息】
Advances in topological quantum materials for energy conversion.
Abdullah Nasir, Asim Arshad, Haoyi Chen, Tianyi Zhang, Taimoor Raza, Tianxiang Yang, Guangping Yang, Syed Asad Ali Shah, Samia Aslam, Van-Duong Dao, Sining Yun*.
Journal of Materials Chemistry A, 2025, 13(33), 26936-26966.
https://doi.org/10.1039/D5TA02897C
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta02897c
【通讯作者简介】
云斯宁，西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省重点科技创新团队带头人，陕西省高等学校学科创新基地负责人。连续7年入选美国斯坦福大学发布了“全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists)”，入选“终身科学影响力排行榜”和“科学影响力排行榜”。博士毕业于西安交通大学，此后分别在韩国延世大学、美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、英国里丁大学、瑞士洛桑联邦理工学院等访问、交流与学习。目前主要从事新能源材料高效和资源化利用研究，如新一代太阳能电池、燃料电池、超级电容器、生物催化、制氢、多能互补等。主持科技部国家重点研发计划（氢能专项）、国家十二五科技支撑计划、国家NSFC面上、陕西省重点研发计划国际合作等20余项科研课题。在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Adv Powder Mater, ACS Energy Lett, Appl Catal B-Environ, Nano Energy, Angew Chem Int Edit, Renew Sust Energy Rev, J Mater Chem A, Chem Eng J, Small, Materials Today系列等国际期刊发表论文240余篇（IF>10的论文90余篇），H-因子67，先后有26篇论文入选ESI热点/高被引论文；主编/参编中、英文专著/教材9部；拥有26项国家授权专利技术。2016年获“Wiley材料学高峰论坛-西安”Highly-cited Author Award。2017年获中国国际光伏大会Best Presentation Award奖。2017-2023年，先后获陕西省科学技术进步奖一等奖、陕西省科学技术奖二等奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等奖、陕西高等学校科学技术奖一等奖、内蒙古自治区科技进步二等奖等。先后担任国际期刊International Journal of Hydrogen Energy和Renewable & Sustainable Energy Reviews客座编辑（Guest Editor）。目前担任International Journal of Green Energy, Oxford Open Energy等编委；目前担任ESCI国际期刊Energy Materials（影响因子11.8）副主编；170余种主要国际SCI学术期刊的特邀审稿和仲裁专家。
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