拓撲量子材料用于能源轉化與存儲的研究進展

余沛峰,梁英,5,王康旺,曾令勇,李寬,張超,李龍夫,羅惠霞,2,3,4*

（1.中山大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510006； 2.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，廣東 廣州510006； 3.中山大學聚合物復合教育部重點實驗室，廣東 廣州 510006； 4.廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室，廣東 廣州 510006；5.廣州航海學院 基礎教學部(人文社科部)， 廣東 廣州 510725）

0 引言

氣候變化與能源問題不僅僅是國際社會普遍關注的重大全球性問題，而且也是人類社會共同面臨的重大挑戰［1］。作為清潔能源的太陽能、風能和地熱能等由于是間歇式能源，因此需要能源轉化與存儲器件進行儲能［2］。目前，研究者們已經發展出了多種能源轉化與存儲器件，如電催化析氫（HER）、電催化析氧（OER）、鋰離子電池（LIBs）、鈉離子電池（NIBs）、鉀離子電池（KIBs）、鋅離子電池（ZIBs）和超級電容器（Super-capacitor）等［3-9］。而電極材料作為能源轉化與存儲器件的關鍵部件，其性能是影響整個器件性能的關鍵因素之一。近年來，炭基材料、硫族金屬化合物、金屬碳化物、磷族金屬化合物等備受關注，其在電催化、電池和超級電容器領域中取得了長足發展［10-11］。此外，研究［12-13］表明通過構筑缺陷、摻雜元素和增加比表面積等方式也可以增強電化學性能。然而，探索新型高效的、低成本的能源轉化與存儲器件的電極材料仍是當前能源催化、材料科學等領域的熱點和難點。

1 拓撲量子材料的分類及相應的能帶結構

拓撲量子材料具有非平庸的拓撲表面態和無耗散的電子傳輸等奇特的物理性質，其不僅在凝聚態物理領域中熾手可熱，而且在化學領域中也受到了廣泛的關注［14-18］。……