Los estados de superficie topológicos no triviales pueden aceptar o donar electrones durante el proceso de electrólisis del agua. Crédito:MPI CPfS
La economía del hidrógeno se considera una de las mejores opciones para proporcionar energía renovable y, de este modo, contribuyendo a mitigar los desafíos ambientales actuales. La densidad de energía del hidrógeno está entre 120-142 MJ / kg, que es mucho mayor que el químico, fósil, y biocombustibles. Más importante, el agua es el único subproducto cuando se usa hidrógeno para producir electricidad.
La electrólisis del agua podría proporcionar gas hidrógeno de alta calidad que se puede utilizar directamente en pilas de combustible. Sin embargo, desde metales nobles, como el platino y el iridio, son actualmente necesarios para iniciar tal reacción, el costo es muy alto. "Obviamente, Se necesitan catalizadores de bajo costo con alta actividad para hacer que la energía del hidrógeno sea más competitiva con las tecnologías tradicionales. "dice Guowei Li en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, quien estudió las reacciones superficiales de varios materiales topológicos.
Obviamente, fue un gran desafío encontrar alternativas más allá de los metales nobles. "La topología puede ser la clave para desbloquear la barrera en la búsqueda de catalizadores ideales, "dice la profesora Claudia Felser, el director del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. "Estudiamos las propiedades superficiales de los materiales con orden topológico, desde aisladores topológicos hasta semimetales y metales topológicos, todos estos materiales tienen estados superficiales no triviales que están protegidos por simetrías ".
"En otras palabras, estos estados de superficie son muy estables y robustos contra modificaciones de la superficie como la dispersión de impurezas e incluso la oxidación:la pregunta que nos hacemos es si podemos encontrar un sistema tan perfecto que combine el orden topológico, costo perdido, alta eficiencia, y alta estabilidad ".
El equipo del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Dresde, junto con colegas de TU Dresden y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras y Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim publicó un resultado revolucionario en Avances de la ciencia sobre un material topológico, a saber, un semimetal magnético de Weyl, que es un catalizador superior de reacción de evolución de oxígeno (REA). El semimetal weyl magnético que el equipo identificó es Co 3 Sn 2 S 2 , un compuesto de Shandita de celosía de Kagome.
Cristales individuales a granel de alta calidad de Co 3 Sn 2 S 2 con tamaños de hasta centímetros se puede exfoliar en finas capas con superficies cristalinas definidas. El equipo demostró que estas superficies actúan como catalizadores superiores para la división del agua, a pesar de que el área superficial es varios órdenes de magnitudes más pequeña que los catalizadores nanoestructurados convencionales de hoy. En colaboración con el grupo teórico de Yan Sun del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, encontraron que hay estados de superficie topológicos derivados del cobalto justo por encima del nivel de Fermi. En el proceso de oxidación del agua, estos estados superficiales pueden aceptar electrones de los intermedios de reacción, actuando como un canal de electrones cuya resistencia no se ve afectada por el duro entorno electroquímico.
Inspirado por esta estrategia, Luego, el equipo investigó el rendimiento catalítico de un semimetal de arco nodal de Dirac PtSn 4 , un compuesto que tiene un porcentaje mucho menor de platino caro. Dichos cristales mostraron una estabilidad electrocatalítica superior durante períodos de tiempo superiores a un mes.
"El trabajo sirve como una lente interesante sobre la química de estos procesos de reacción y podría ser un camino hacia la comprensión de la química en sí mediante un conocimiento claro de la naturaleza topológica del catalizador semimetálico, "dice uno de los revisores expertos del artículo.
