​中科大JACS：电化学测试结合理论计算，揭示拓扑效应在CO2电还原中的作用

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拓扑学是一种连续变换的数学概念，它为固体材料的电子态分类提供了一种新的方法。基于拓扑能带理论，拓扑材料拥有对称保护的拓扑表面态(TSSs)，在不破坏体拓扑结构的前提下不受局域扰动的影响。近年来，随着拓扑材料在化学领域的应用，出现了一门新的交叉学科—拓扑催化。在多相催化中，反应物的吸附、电子转移和产物的脱附对表面环境高度敏感，因此一个强大的TSS为设计高性能催化剂提供了的机会。目前，虽然在氧和氢析出反应(OER和HER)中报道了多种拓扑半金属增强催化反应，但是仍然缺乏在拓扑催化中鉴定本征TSS效应的直接实验证据。


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基于此，中国科学技术大学曾杰和王征飞等通过控制Bi2Se3纳米片的厚度和施加磁场来精确调控其拓扑表面态(TSS)，为阐明拓扑催化在CO2电还原中的作用提供了直接的实验证据。
原则上，在对同一催化剂加入和不加入TSS的比较测量中，产物和效率将提供一个确凿的信号来区分拓扑催化中的本征TSS效应。因此，第一步，研究人员选择一个具有TSS的厚Bi2Se3；第二步选择了一个没有TSS的Bi2Se3薄膜，其中TSS被量子限制消除了；第三步，选择厚的Bi2Se3，但在磁场下进行催化反应，其中时间反演对称保护的TSS被磁场破坏。如果第二步和第三步中的催化活性和/或主要产物相似但与第一步实验中不同，则可以直接确认本征TSS效应能够调节催化活性和/或选择性。
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实验结果表明，带有TSS的Bi2Se3 (6 nm)纳米片主要促进CO2还原成液体燃料，在−1.1 VRHE处的几何电流密度(j)高达46.9 mA cm−2，HCOOH和H2C2O4的法拉第效率(FE)分别为60%和30%。然而，薄的Bi2Se3 (2 nm)和厚的Bi2Se3 (6 nm)纳米片在磁场下都没有TSS，主要促进CO2还原成CO，且几何电流密度和产物选择性均有所降低。这一结论性的实验证据直接证实了拓扑催化中固有的TSS效应。
此外，通过第一性原理计算，揭示了催化剂活性和选择性的差异可归因于TSS调控的关键中间体的吸附和决速步骤的势垒降低。综上，该项研究建立了TSS与电催化之间的内在对应关系，为拓扑催化中拓扑效应的研究提供了一种通用的方法。
Experimental demonstration of topological catalysis for CO2 electroreduction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c11088



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