具有手性结构的高折叠简并拓扑半金属中的析氢电催化剂

为何更好的氢很重要

氢燃料常被誉为化石燃料的清洁替代品，但高效制氢仍然是一个挑战。将水分解为氢气和氧气需要大量电能，因此科学家们一直在寻找能以更少能耗、更快速度完成这项工作的催化材料。本研究探索了一类新颖的奇异晶体金属，它们在推动水分解中产生氢气的半反应方面可超越当前的金标准铂，甚至指出了可行的更廉价选项，可能使绿色氢气在大规模应用上更具可行性。

带有扭曲结构的特殊晶体

本研究核心的材料称为拓扑半金属，这是类晶体，其电子在表面上以异常的方式运动。其中一些晶体具有手性结构，意味着其原子排列呈左旋或右旋的扭转，就像螺丝一样。在这样的晶体中，表面电子沿着受保护的通道运动，这些通道不易被破坏，从而允许电子快速且稳定地传输。研究者重点关注一种称为高折叠简并拓扑半金属的亚类，在这些材料中，多个电子能级在一点处相交，为这些特殊表面态创造了较宽的能量窗口。早期工作提示这些材料可能是水制氢的优良助力，本研究旨在系统性地检验这一想法。

筛选候选催化剂库

研究团队使用基于量子力学的计算机模拟，检查了从他们先前建立的更大数据库中抽取的47种此类晶体。它们都具有与广泛研究的材料CoSi相同的基本对称性，但在占据原子位置的元素上有所不同。他们计算的关键量是氢吸附的吉布斯自由能，它衡量氢原子与催化剂表面结合的强弱。对于优良的析氢催化剂，该值应接近零，意味着氢与表面结合得足够强以形成，但又不会强到无法以气态离开。通过构建不同晶体表面的详细模型并测试许多可能的氢吸附位点，作者为每种材料识别出最有利的吸附位置，然后将它们的性能与铂进行比较。

十六个优胜者与几位明星材料

筛选结果显示有16种表现突出的催化剂，其计算得到的氢结合强度比铂更接近理想值。其中三种化合物PtGa、PtPbTe和Pd3Pb2S2作为不同结构类型的代表显得尤其有前景。许多最佳候选含有贵金属如铂和钯，这些金属的d轨道在特定表面原子上与氢的结合中起重要作用。然而，研究也鉴定出五种不依赖昂贵元素的有效催化剂，包括CoSi、CoGe、TcSi、NiSi和NiPS。这种由贵金属基与廉价选项混合的结果表明相同的设计规则可同时指导高性能与低成本方案的开发。

异常表面电子如何促进反应

除了列出优良候选材料外，作者还试图理解这些材料为何如此有效。他们比较了同一晶体的不同表面：一些表面承载拓扑表面态，另一些则不承载。例如在CoSi的情况下，一个表面显示出长而弧状的表面电子通路，而另一个表面则缺乏这些特征。计算表明，在具有这些特殊电子路径的表面上，氢的结合更接近理想强度，而在不具备这些路径的表面上则没有如此表现。对基于铂和钯的晶体进行的类似分析表明，当拓扑表面态主要由这些金属的轨道形成时，它们能提供高度可移动的电子，这些电子容易流向吸附的氢，使氢分子更容易形成并脱离表面。

对未来清洁燃料的意义

简单来说，这项工作表明，经过精心设计的具有扭曲拓扑表面的晶体可以作为从水中高效制氢的有效助催化剂，有时甚至能超过铂。通过证明具有特殊电子通道的表面始终优于不具备这些通道的表面，研究为设计更好催化剂提供了明确策略：将已知的金属催化剂改造成拓扑半金属，使其表面能更有效地输送电子。这一方法不仅扩展了有前景的析氢材料清单——包括一些可避免使用昂贵贵金属的材料——还暗示类似的原理可用于指导其它关键反应的催化剂设计，这些反应在清洁能源和碳管理中同样重要。

引用: Wang, Y., Yu, H., Xu, Q. et al. Hydrogen evolution electrocatalysts in high-fold degenerate topological semimetals with chiral structures. Commun Chem 9, 184 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01985-w

关键词: 析氢, 电催化剂, 拓扑半金属, 手性晶体, 分解水