Estados superficiais topológicos não triviais podem aceitar ou doar elétrons durante o processo de eletrólise da água. Crédito:MPI CPfS
A economia do hidrogênio é considerada uma das melhores opções para o fornecimento de energia renovável e, deste modo, contribuindo para mitigar os desafios ambientais atuais. A densidade de energia do hidrogênio está entre 120-142 MJ / kg, que é muito maior do que o químico, fóssil, e biocombustíveis. Mais importante, a água é o único subproduto quando o hidrogênio é usado para produzir eletricidade.
A eletrólise da água pode fornecer gás hidrogênio de alta qualidade, que pode ser usado diretamente nas células de combustível. Contudo, desde metais nobres, como platina e irídio, são atualmente necessários para iniciar tal reação, o custo é muito alto. "Obviamente, catalisadores de baixo custo com alta atividade são necessários para tornar a energia do hidrogênio mais competitiva com as tecnologias tradicionais, "diz Guowei Li do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, que estudou as reações de superfície de vários materiais topológicos.
Obviamente, foi um grande desafio encontrar alternativas além dos metais nobres. "A topologia pode ser a chave para desbloquear a barreira na busca por catalisadores ideais, "diz a professora Claudia Felser, o diretor do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. "Estudamos as propriedades de superfície de materiais com ordem topológica, de isolantes topológicos a semimetais e metais topológicos, todos esses materiais têm estados de superfície não triviais que são protegidos por simetrias. "
"Em outras palavras, esses estados de superfície são muito estáveis e robustos contra modificações de superfície, como espalhamento de impurezas e até mesmo oxidação:a pergunta que estamos fazendo é podemos encontrar um sistema tão perfeito que combine a ordem topológica, custo perdido, alta eficiência, e alta estabilidade. "
A equipe do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Dresden, juntamente com colegas da TU Dresden e do Instituto Max Planck de Física da Microestrutura e do Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim publicou um resultado revolucionário em Avanços da Ciência em relação a um material topológico, ou seja, um semimetal magnético de Weyl, esse é um catalisador de reação de evolução de oxigênio (OER) superior. O weyl semimetal magnético que a equipe identificou é Co 3 Sn 2 S 2 , um composto Shandite da rede Kagome.
Cristais únicos em massa de Co de alta qualidade 3 Sn 2 S 2 com tamanhos de até centímetros podem ser esfoliados em camadas finas com superfícies de cristal definidas. A equipe mostrou que essas superfícies atuam como catalisadores superiores para a divisão da água, embora a área de superfície seja várias ordens de magnitudes menor do que os catalisadores nanoestruturados convencionais de hoje. Em colaboração com o grupo de teoria de Yan Sun do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, eles descobriram que existem estados de superfície topológicos derivados do cobalto logo acima do nível de Fermi. No processo de oxidação da água, esses estados de superfície podem aceitar elétrons dos intermediários de reação, atuando como um canal de elétrons cuja resistência não é afetada pelo ambiente eletroquímico hostil.
Inspirado por esta estratégia, a equipe investigou então o desempenho catalítico de um arco nodal de Dirac semimetal PtSn 4 , um composto que tem uma porcentagem muito menor de platina cara. Esses cristais mostraram estabilidade eletrocatalítica superior por períodos superiores a um mês.
"O trabalho serve como uma lente interessante para a química desses processos de reação e pode ser um caminho para a compreensão da própria química pelo conhecimento claro da natureza topológica do catalisador semimetal, "diz um dos revisores especialistas do jornal.
