近日，北京理工大学刘佳、张加涛教授团队在等离激元光热转换材料的开发与催化应用领域取得重要进展，相关研究成果以“Cu2FeS2: Discovery of an Exceptional Thermoplasmonic Semiconductor via Arrested Cation Exchange”为题在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表（DOI: org/10.1002/adma.202522120）。这一研究成果为发展新型非贵金属等离激元半导体提供了全新的材料体系，在光热催化等依托于光热转换过程的多个研究领域具有广阔的应用前景。该工作以北京理工大学为第一通讯单位，材料学院刘佳副教授、化学与化工学院张加涛教授为本论文共同通讯作者，博士研究生李岳美为第一作者。

理想的等离激元光热转换材料需同时具备高效的光吸收与光热转换能力，尽管Au、Cu2-xS、TiN、MXenes等光热转换材料受到了广泛关注，该领域的发展仍需要不断拓宽材料选择，寻找效率和成本上更具优势的新材料体系。本研究采用化学热力学驱动的阳离子交换非平衡态合成为手段，获得了一种曾被理论预测、但自然界不存在且从未被实验合成的新物质Cu2FeS2。该材料在300-1500 nm具有非常优异的局域表面等离激元共振（LSPR）光吸收能力，摩尔消光系数>107 M−1 cm−1，高于卤化物钙钛矿光吸收材料，并且在可见-近红外宽光谱范围内表现出68%-90%的高光热转化量子效率（PCE），性能优于Au纳米颗粒及Ti3C2基MXene等目前主流的光热转换材料。

研究表明，Cu2FeS2具有不同于Cu5FeS4、CuFeS2 等其它Cu-Fe-S半导体的特殊电子结构特性：例如，Cu2FeS2中Cu和Fe元素均以混合价态（Cu0/Cu+和Fe2+/Fe3+）存在，具有0.16 eV的超窄带隙和高导电性，其自由电子浓度高达~10²¹ cm-3，为产生显著的LSPR效应提供了物理基础。此外，Cu2FeS2还具有强电子-声子耦合作用，其本征电子-声子耦合时间仅为103 fs，因此能够在飞秒时间尺度内将吸收的光能迅速转化为晶格热能，较Au 纳米颗粒的皮秒尺度快了一个数量级。这些固有物理属性上的优势共同决定了Cu2FeS2十分优异的等离激元光热转换性能。

在光热催化甲烷干重整反应中，负载Ru助催化剂的Cu2FeS2在无需外加热源、2.3 W cm-2低光强光照条件下实现了5.2%的光能-化学能转化效率。除了在光热催化中的应用潜力，这种新材料还有望在光热生物诊疗、太阳能海水淡化、太阳能收集纳米流体、热等离激元微纳制造与激光打印、光热泳动纳米马达、光热纳米致动器、光热纳米机器人等多个以光热转换为核心原理的研究领域发挥重要作用。

图1 Cu2FeS2的形貌与成分表征

图2 Cu2FeS2的物相鉴定与局域结构分析

图3 Cu2FeS2的形成机理研究 

图4 Cu2FeS2的光吸收与光热转换性能研究

图5 Cu2FeS2的等离激元光热转换机理分析

图6 Cu2FeS2在甲烷干重整反应中的等离激元光热催化性能研究

论文详情：Yuemei Li, Hongfei Gu, Zexuan Lu, Haoqing Zhang, Mengyao Su, Xiuming Zhang, Jia Liu*, Wenxiong Shi*, Jiatao Zhang*, Cu2FeS2: Discovery of an Exceptional Thermoplasmonic Semiconductor via Arrested Cation Exchange. Adv. Mater. 2026, e22120.

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522120

附作者简介：

刘佳，北京理工大学材料学院长聘副教授，博士生导师。主要从事太阳能光-化学转化硫属催化材料的设计与合成，以通讯/第一作者在Chem. Rev., Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Energy Lett., Nano Lett.等期刊发表论文40余篇，主持国家自然科学基金项目3项，作为第二完成人荣获北京市自然科学奖二等奖。   

张加涛，北京理工大学化学与化工学院院长，智能分子材料与高通量制造北京市重点实验室主任，英国皇家化学会会士，国家级领军人才。主要从事半导体纳米材料合成化学、组装及其光电新能源、生物医学应用研究。以第一/通讯作者在Nature, Science, Chem. Rev., Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem, Angew. Chem., Adv. Mater.等国际顶级SCI学术期刊上发表论文200余篇，研究工作已被他人引用1万8千余次，H因子63。成果获得北京市自然科学二等奖（排1），中国材料研究学会科学技术奖二等奖（排1）。目前担任中国材料研究学会纳米材料与器件分会副理事长，中国化学会理事，中国化工学会化学工程专业委员会委员，中国化工学会智能制造专委会委员，中国金属学会功能材料分会委员等职。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊执行副主编，Nano Res., PNS: MI, Rare Metals 3个SCI期刊编委。荣获2019国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料及合成杰出奖、中国材料学术联盟IFAM2018青年科学家奖、2023/24年科睿唯安高被引科学家等。