Gli stati superficiali topologici non banali possono accettare o donare elettroni durante il processo di elettrolisi dell'acqua. Credito:MPI CPfS
L'economia dell'idrogeno è considerata una delle migliori opzioni per fornire energia rinnovabile e, in tal modo, contribuendo a mitigare le sfide ambientali di oggi. La densità energetica dell'idrogeno è tra 120-142 MJ/kg, che è molto maggiore di quello chimico, fossile, e biocarburanti. Ma ancora più importante, l'acqua è l'unico sottoprodotto quando l'idrogeno viene utilizzato per produrre elettricità.
L'elettrolisi dell'acqua potrebbe fornire gas idrogeno di alta qualità che può essere utilizzato direttamente nelle celle a combustibile. Però, poiché i metalli nobili, come platino e iridio, sono attualmente necessarie per avviare una tale reazione, il costo è molto alto. "Ovviamente, sono necessari catalizzatori a basso costo ad alta attività per rendere l'energia dell'idrogeno più competitiva rispetto alle tecnologie tradizionali, " dice Guowei Li al Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, che ha studiato le reazioni superficiali di diversi materiali topologici.
È stata ovviamente una grande sfida trovare alternative al di là dei metalli nobili. "La topologia può essere la chiave per sbloccare la barriera nella ricerca di catalizzatori ideali, "dice la prof.ssa Claudia Felser, il direttore dell'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi. "Abbiamo studiato le proprietà superficiali dei materiali con ordine topologico, dagli isolanti topologici ai semimetalli e metalli topologici, tutti questi materiali hanno stati superficiali non banali che sono protetti da simmetrie."
"In altre parole, questi stati superficiali sono molto stabili e robusti contro le modifiche superficiali come la dispersione delle impurità e persino l'ossidazione:la domanda che ci poniamo è:possiamo trovare un sistema così perfetto che combini ordine topologico, costo perso, alta efficienza, e alta stabilità."
Il team del Max Planck Institute Chemical Physics of Solids, Dresda, insieme ai colleghi della TU Dresden e del Max Planck Institute for Microstructure Physics e Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim ha pubblicato un risultato rivoluzionario in Progressi scientifici riguardanti un materiale topologico, vale a dire un semimetallo Weyl magnetico, questo è un catalizzatore di reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) superiore. Il semimetallo magnetico weyl che il team ha identificato è Co 3 Sn 2 S 2 , un composto Shandite a reticolo Kagome.
Cristalli singoli sfusi di alta qualità di Co 3 Sn 2 S 2 con dimensioni fino a centimetri può essere esfoliato in strati sottili con superfici cristalline definite. Il team ha dimostrato che queste superfici agiscono come catalizzatori superiori per la scissione dell'acqua, anche se la superficie è di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto ai catalizzatori nanostrutturati convenzionali di oggi. In collaborazione con il gruppo di teoria di Yan Sun del Max Planck Institute of Chemical Physics of Solids, hanno scoperto che ci sono stati di superficie topologici derivati dal cobalto appena sopra il livello di Fermi. Nel processo di ossidazione dell'acqua, questi stati superficiali possono accettare elettroni dagli intermedi di reazione, agendo come un canale elettronico la cui resistenza non è influenzata dal duro ambiente elettrochimico.
Ispirato da questa strategia, il team ha quindi studiato le prestazioni catalitiche di un semimetallo ad arco nodale di Dirac PtSn 4 , un composto che ha una percentuale molto più bassa di costoso platino. Tali cristalli hanno mostrato una stabilità elettrocatalitica superiore per periodi di tempo superiori a un mese.
"Il lavoro serve come una lente interessante nella chimica di questi processi di reazione e potrebbe essere un percorso verso la comprensione della chimica stessa attraverso una chiara conoscenza della natura topologica del catalizzatore semimetallico, ", afferma uno dei revisori esperti del documento.
