Fremskynde brintproduktionen ved hjælp af de magiske topologiske overfladetilstande

Brintøkonomien anses for at være en af ​​de bedste muligheder for at levere vedvarende energi og, derved, bidrager til at afbøde nutidens miljøudfordringer. Energitætheden for brint er mellem 120-142 MJ/kg, som er meget større end kemikaliens, fossil, og biobrændstoffer. Vigtigere, vand er det eneste biprodukt, når hydrogen bruges til at producere elektricitet.

Vandelektrolyse kan levere hydrogengas af høj kvalitet, der kan bruges i brændselsceller direkte. Imidlertid, siden ædelmetaller, såsom platin og iridium, er i øjeblikket nødvendige for at starte en sådan reaktion, omkostningerne er meget høje. "Naturligvis, katalysatorer, der er billige med høj aktivitet, er nødvendige for at gøre hydrogen energi mere konkurrencedygtig med traditionelle teknologier, "siger Guowei Li ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer, der studerede overfladereaktionerne af flere topologiske materialer.

Det var naturligvis en stor udfordring at finde alternativer ud over ædelmetaller. "Topologi kan være nøglen til at låse op for barrieren i søgen efter ideelle katalysatorer, "siger prof. Claudia Felser, direktør for Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer. "Vi undersøgte overfladeegenskaberne af materialer med topologisk orden, fra topologiske isolatorer til topologiske semimetaller og metaller, alle disse materialer har ikke-trivielle overfladetilstande, der er beskyttet af symmetrier. "

"Med andre ord, disse overfladetilstande er meget stabile og robuste mod overflademodifikationer som forureningsspredning og endda oxidation:spørgsmålet, vi stiller, er, kan vi finde et så perfekt system, der kombinerer topologisk orden, tabte omkostninger, høj effektivitet, og høj stabilitet. "

Teamet fra Max Planck Institute Chemical Physics of Faststoffer, Dresden, sammen med kolleger fra TU Dresden og Max Planck Institute for Microstructure Physics og Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim offentliggjorde et gennembrudsresultat i Videnskab fremskridt vedrørende et topologisk materiale nemlig et magnetisk Weyl -halvmetal, det er en overlegen oxygen evolution -reaktion (OER) katalysator. Det magnetiske weyl -halvmetal, som teamet identificerede, er Co ₃ Sn ₂ S ₂ , en Kagome-gitter Shandit-forbindelse.

Enkeltkrystaller i høj kvalitet af Co ₃ Sn ₂ S ₂ med størrelser på op til centimeter kan eksfolieres til tynde lag med definerede krystaloverflader. Teamet viste, at disse overflader fungerer som overlegne katalysatorer for vandspaltning, selvom overfladearealet er flere størrelsesordener mindre end nutidens konventionelle nanostrukturerede katalysatorer. I samarbejde med Yan Suns teorigruppe fra Max Planck Institute of Chemical Physics of Faststoffer, de fandt ud af, at der er kobolt-afledte topologiske overfladetilstande lige over Fermi-niveauet. I vandoxidationsprocessen, disse overfladetilstande kan acceptere elektroner fra reaktionsmellemprodukterne, fungerer som en elektronkanal, hvis modstand ikke påvirkes af det barske elektrokemiske miljø.

Inspireret af denne strategi, holdet undersøgte derefter den katalytiske ydelse af en Dirac nodal arc semimetal PtSn ₄ , en forbindelse, der har en meget lavere procentdel af dyr platin. Sådanne krystaller viste overlegen elektrokatalytisk stabilitet i perioder, der oversteg en måned.

"Arbejdet fungerer som en interessant linse til kemien i disse reaktionsprocesser og kan være en vej til forståelse af selve kemien ved klar viden om den semologiske metalkatalysators topologiske karakter, "siger en af ​​ekspertanmelderne af papiret.