拓?fù)鋵W(xué)是一種連續(xù)變換的數(shù)學(xué)概念，它為固體材料的電子態(tài)分類(lèi)提供了一種新的方法?；谕?fù)淠軒Ю碚摚負(fù)洳牧蠐碛袑?duì)稱(chēng)保護(hù)的拓?fù)浔砻鎽B(tài)(TSSs)，在不破壞體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下不受局域擾動(dòng)的影響。近年來(lái)，隨著拓?fù)洳牧显诨瘜W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，出現(xiàn)了一門(mén)新的交叉學(xué)科—拓?fù)浯呋Ｔ诙嘞啻呋?，反?yīng)物的吸附、電子轉(zhuǎn)移和產(chǎn)物的脫附對(duì)表面環(huán)境高度敏感，因此一個(gè)強(qiáng)大的TSS為設(shè)計(jì)高性能催化劑提供了的機(jī)會(huì)。目前，雖然在氧和氫析出反應(yīng)(OER和HER)中報(bào)道了多種拓?fù)浒虢饘僭鰪?qiáng)催化反應(yīng)，但是仍然缺乏在拓?fù)浯呋需b定本征TSS效應(yīng)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰和王征飛等通過(guò)控制Bi2Se3納米片的厚度和施加磁場(chǎng)來(lái)精確調(diào)控其拓?fù)浔砻鎽B(tài)(TSS)，為闡明拓?fù)浯呋贑O2電還原中的作用提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
原則上，在對(duì)同一催化劑加入和不加入TSS的比較測(cè)量中，產(chǎn)物和效率將提供一個(gè)確鑿的信號(hào)來(lái)區(qū)分拓?fù)浯呋械谋菊鱐SS效應(yīng)。因此，第一步，研究人員選擇一個(gè)具有TSS的厚Bi2Se3；第二步選擇了一個(gè)沒(méi)有TSS的Bi2Se3薄膜，其中TSS被量子限制消除了；第三步，選擇厚的Bi2Se3，但在磁場(chǎng)下進(jìn)行催化反應(yīng)，其中時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)保護(hù)的TSS被磁場(chǎng)破壞。如果第二步和第三步中的催化活性和/或主要產(chǎn)物相似但與第一步實(shí)驗(yàn)中不同，則可以直接確認(rèn)本征TSS效應(yīng)能夠調(diào)節(jié)催化活性和/或選擇性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有TSS的Bi2Se3 (6 nm)納米片主要促進(jìn)CO2還原成液體燃料，在?1.1 VRHE處的幾何電流密度(j)高達(dá)46.9 mA cm?2，HCOOH和H2C2O4的法拉第效率(FE)分別為60%和30%。然而，薄的Bi2Se3 (2 nm)和厚的Bi2Se3 (6 nm)納米片在磁場(chǎng)下都沒(méi)有TSS，主要促進(jìn)CO2還原成CO，且?guī)缀坞娏髅芏群彤a(chǎn)物選擇性均有所降低。這一結(jié)論性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)直接證實(shí)了拓?fù)浯呋泄逃械腡SS效應(yīng)。
此外，通過(guò)第一性原理計(jì)算，揭示了催化劑活性和選擇性的差異可歸因于TSS調(diào)控的關(guān)鍵中間體的吸附和決速步驟的勢(shì)壘降低。綜上，該項(xiàng)研究建立了TSS與電催化之間的內(nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為拓?fù)浯呋型負(fù)湫?yīng)的研究提供了一種通用的方法。
Experimental demonstration of topological catalysis for CO2 electroreduction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c11088
原創(chuàng)文章，作者：Jenny（小琦），如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/03/14/816aee086a/
-透明背底.png)