拓扑非平庸材料因其独特的拓扑表面态而成为有前途的催化剂，拓扑半金属由于绝缘性的体相和拓扑金属态的结合而具有相对于拓扑绝缘体更有催化优势，而拓扑表面态与能带反转有关，能带反转强度可用拓扑非平庸能量窗口（能量差值可以反应能带反转的尺度）来表示。另一个角度，材料的态密度(DOS)可以通过调整电子构型来影响催化性能。代表性的拓扑材料PtAl和PtGa均为铂系贵金属，探索非贵金属的拓扑材料能够有效降低生产成本，因此，中国科学技术大学孙岩和陈星秋等人通过拓扑平庸电子强度和拓扑非平庸能量窗口的有效组合，预测了手性材料SiTc的高催化性能，吸附吉布斯自由能（−0.062eV）。本工作为通过结合金属中的拓扑态和高电子强度来设计更具潜力的高活性拓扑电催化剂提供了一种有效的策略。
1、团队利用能带转变及态密度直观展现出拓扑平庸电子强度和拓扑非平庸能量窗口的有效组合，得出其是导致手性材料SiTc具备优异催化性能关键原因。2、基于该组合方式，调控Berry相位能够有效激活手性晶体的拓扑非平庸表面活性，为设计高效析氢催化剂提供新的策略。
计算方法
作者使用VASP软件包中广义梯度近似（GGA）下的PBE泛函描述相互关联能，以准确计算出吸附能。在计算中，作者构建了6个原子层厚度的模型，设置截断能为400 eV，针对(1×1)、(2×1)和(2×2)超胞分别采用7×7×1、3×7×1和3×3×1的k点网格进行优化和性质计算。
图1(a)展示了拓扑平庸电子强度和拓扑非平庸能量窗口组合的流程，作者研究了P213空间群中的SiTc，发现其具有非常高的HER催化活性。通过图1(b)中SiTc的投影Berry相位较大，结合图1(c)-(e)，SiTc在费米能级上的态密度也高于PtAl和PtGa，说明SiTc可以在电催化过程中提供更多的载流子，也因此具有更好的催化性能。在深入研究SiTc拓扑性质的过程中，其为立方晶系，沿(001)方向有2倍螺旋轴，因此沿该方向只有两种表面终端，如图2(a)所示。体相SiTc的电子结构如图2(b)所示，从中可以看到Γ点的6重简并和R点的4重简并，拓扑非平庸能量窗口可达0.550 eV，与常见的PtAl和PtGa相近。因此，从本征电子结构的角度来看，SiTc具有较高的态密度、较明显的能带反转以及较大的Berry相位，因此可能具有优异的催化性质。为研究催化特性，作者沿(001)方向建立了一个(2×2)的超胞，计算氢吸附能，发现H原子更倾向于吸附表面原子中空部位上方(图2(c))，其吸附能(ΔEH)为-0.302 eV。考虑到成本和计算的可靠性，作者计算中只考虑标准条件，校正氢吸附的零点能和熵，其HER的ΔGH*非常接近于零(- 0.062 eV)，比Pt的ΔGH*更接近于零(- 0.09 eV)，表明SiTc作为HER催化剂具有超高的活性。考虑到氢原子覆盖率是影响ΔGH*的重要因素，后续计算得出|ΔGH*| ~ 0.1 eV，仍然可以说SiTc确实具有接近零的吉布斯自由能。结合如图2(d)-(e)差分电荷密度，电子耗散（绿色）主要发生在具有d轨道的Tc原子周围，而电子积累（红色）主要发生在吸附的H原子s轨道周围。电荷密度差体现出Tc-4d和H-1s轨道之间存在电子转移，表明表面Tc原子的化学活性。进一步考虑到表面态在化学反应中重要的作用，作者计算表面态结构的能带信息，红色表示表层原子的贡献，如图3(a)-(b)所示，从分散性可以看出，几乎所有的表面态反转为绝缘体特性的体相，但在图3(a)-(b)中高亮区域，氢吸附后，-M周围的表面能带向下移动。与电荷密度差分析一致，这些表面能带都来自Tc-d轨道。同时，由于从邻近的Tc原子获得电荷，H-s占主导的能级从费米能级下降。在图3(c)-(d)的二维费米面中可以看到表面态的全局变化。由于Γ-R之间的能带劈裂很小，所以表面态很少，但费米面的变化仍然很明显。例如，在箭头标记的区域，氢吸附后出现费米面。因此，在催化过程中，Tc-d轨道的表面态主要参与了化学反应。通过吉布斯自由能的预测，SiTc位于“火山图”的顶峰，具备潜在的高HER活性。图4(a)还显示了PtAl和PtGa的吉布斯自由能，结合图4(b)的反应坐标中看到，两种Pt基材料ΔGH*更远离0点，这与投影的Berry相位结果一致。
Zhan, J., Cao, Y., Lai, J Li J., Ma, H., Li, S., ... & Sun, Y. (2024) Design of High-Efficiency Hydrogen Evolution Catalysts in a Chiral Crystal. ACS Catalysis, 14 1030-1036.https://doi.org/10.1021/acscatal.3c03086
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