Topological insulator path toward efficient hydrogen evolution catalysts in the Li2Pt family

拓扑绝缘体 拓扑(电路) 催化作用 物理 材料科学 原子物理学 化学 凝聚态物理 量子力学 组合数学 数学 生物化学
作者
Yu-Hao Wei,Da‐Shuai Ma,Hongkuan Yuan,Xiaotian Wang,Min-Quan Kuang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (23) 被引量:10
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.235414
摘要

Topological materials, such as topological semimetals and topological insulators, with robust topological surface states have bright application prospects in electrochemical catalysis. Here, the first-principles calculations indicate the strong topological insulator ${\mathrm{Li}}_{2}\mathrm{Pt}$ family promotes efficient catalytic response to the hydrogen evolution reaction. For ${\mathrm{Li}}_{2}\mathrm{Pt}$ and ${\mathrm{Li}}_{2}\mathrm{Pd}$, the calculated Gibbs free energy $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}{G}_{{\mathrm{H}}^{*}}$ of the bridge site is 0.054 eV and 0.041 eV, while that for the top site is 0.187 eV and 0.641 eV, respectively. The better hydrogen evolution reaction performance of the bridge site can ascribe to H hybridizes with the ${d}_{xy}+{d}_{{x}^{2}\ensuremath{-}{y}^{2}}$ orbital, which donates the nontrivial topological surface states, while H hybridizes with the ${d}_{{z}^{2}}$ orbital that withholds contribution to topological surface states for the top site. Noticeably, the $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}{G}_{{\mathrm{H}}^{*}}$ of the bridge site for ${\mathrm{Li}}_{2}\mathrm{Pt}$ (0.054 eV) and ${\mathrm{Li}}_{2}\mathrm{Pd}$ (0.041 eV) is nearly half of the value of Pt (0.09 eV), indicating an excellent hydrogen evolution reaction activity. This work uncovers the hybridization between adsorbate and topological surface states plays a vital role in enhancing the hydrogen evolution reaction performance and provides a promising route to design topological quantum catalysts.
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