Топологические поверхности повышают эффективность катализаторов для чистой энергии

Идентификация электрохимического поверхностного состояния (ESS) монослоя PtBi₂ с помощью диаграммы Пурбе, основанной на DFT. Автор: The Journal of Physical Chemistry Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c03589

Реакция восстановления кислорода (ORR) является ключевым процессом в топливных элементах и металл-воздушных батареях — технологиях, которым отводится центральная роль в низкоуглеродном энергетическом будущем. Однако ORR протекает медленно на большинстве материалов, что ограничивает эффективность и увеличивает стоимость. Поэтому поиск катализаторов, способных ускорить эту реакцию, является серьёзной задачей для снижения нашего энергетического следа.

Двумерные (2D) топологические материалы в последнее время привлекают внимание в качестве потенциальных электрокатализаторов. Их необычные электронные свойства возникают из-за спин-орбитального взаимодействия (SOC), которое создаёт устойчивые топологические поверхностные состояния (TSS), способные улучшить перенос заряда. До сих пор большинство исследований предполагало, что эти поверхности остаются чистыми и неизменными во время реакций.

Но реальность иная. В реальных электрохимических средах поверхности катализаторов далеки от первозданного состояния. Они постоянно взаимодействуют с окружающим электролитом и промежуточными продуктами реакции, образуя так называемые электрохимические поверхностные состояния (ESS). Понимание того, как эти реалистичные поверхности влияют на топологические свойства и каталитическую производительность, необходимо, если учёные хотят использовать 2D топологические материалы.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Тохоку изучили монослойный платиновый висмутид (PtBi₂) — атомарно тонкий двумерный материал — в качестве модельного топологического электрокатализатора. Комбинируя квантовые расчёты с моделями, учитывающими зависимость реакций от pH, команда определила истинную рабочую поверхность катализатора в условиях восстановления кислорода.

Их результаты показали, что PtBi₂ стабилизируется при потенциалах, соответствующих ORR, с почти монослойным покрытием из гидроксильных (HO*) частиц на своей поверхности. Это означает, что активная поверхность — это не идеализированная топологическая поверхность, а электрохимическое поверхностное состояние, индуцированное HO* и формирующееся во время работы.

Важно, что эта реконструкция поверхности не стирает топологическую природу материала. Вместо этого она изменяет электронный ландшафт, создавая локализованные поверхностные состояния, обусловленные SOC, и подобную плоской зоне особенность с высокой плотностью электронных состояний вблизи уровня Ферми. Эти особенности усиливают электронную связь с промежуточными продуктами ORR и снижают чувствительность к межфазным диполям. Исследование опубликовано в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Подобно тому, как дороги могут направлять плотный поток машин, топологическая структура направляет поток электронов полезным образом, несмотря на адсорбаты, покрывающие поверхность катализатора.

Определение топологических поверхностных состояний монослоя PtBi₂. Зонная структура и полная плотность состояний (DOS) монослоя PtBi₂ с различными ESS: (a) чистая поверхность и (b) 1 монослой HO*. Фиолетовые и голубые линии обозначают результаты без учёта и с учётом SOC соответственно. Уровень Ферми смещён к 0 эВ. Автор: The Journal of Physical Chemistry Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c03589

Анализ активности и механизма. Автор: The Journal of Physical Chemistry Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c03589

Явно учитывая эффекты pH, исследователи также предсказали, что PtBi₂ достигает почти пиковой активности ORR в щелочных средах. Это подчёркивает важность оценки каталитической производительности в реалистичных электрохимических условиях, а не опоры на идеализированные модели поверхностей.

«Наши результаты показывают, что топологические поверхностные состояния могут сохраняться и даже оптимизироваться в результате электрохимической реконструкции, — говорит Хао Ли, выдающийся профессор WPI-AIMR Университета Тохоку. — Это даёт практический принцип проектирования для электрокатализаторов следующего поколения, где квантовая топология и электрохимия поверхности должны рассматриваться вместе».

Источник: Tohoku University