[논문 리뷰] Expediting hydrogen evolution through topological surface states on Bi2Te3

Qing Qu, Bin Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 68인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 분자기상 epitaxy를 통해 성장시킨 48 nm 두께의 비스무트 telluride (Bi2Te3) 토폴로지적 절연체 박막이 표면 상태로 인해 수소 발생 반응(HER) 활성이 향상됨을 보여준다. 실험적 및 이론적 증거는 Bi2Te3의 표면 산화물과 텔루르 양공이 HER 성능을 크게 향상시킴을 확인하며, 이는 비귀금속 전기촉매에서 촉매 효율성의 핵심 요소로 작용하는 토폴로지적 표면 상태를 규명한다.

ABSTRACT

Recently, the development of efficient and non-noble metal electrocatalysts with excellent durability for the hydrogen evolution reaction (HER) has attracted increasing attention. The exotic and robust metallic surface states of topological insulators (TIs) are theoretically predicted to enhance surface catalytic activity of overlaying catalysts, but no experimental evidence for TIs directly used as electrocatalysts has ever been reported. In this work, we fabricated the TI thin films of Bi2Te3 with different thicknesses using the molecular beam epitaxy method, and found that these thin films exhibit high electrocatalytic activity in HER. The 48 nm Bi2Te3 thin film has the best performance, which is attributed to its largest active area arising from the spiral growth mode of triangular domains as revealed by atomic force microscopy imaging. Importantly, our theoretical calculations reveal that while pure Bi2Te3 is not a good electrocatalyst, the Bi2Te3 thin films with partially oxidized surfaces or Te vacancies have high HER activity. The existence of the corresponding surface oxides on the Bi2Te3 thin films is supported by our X-ray photoelectron spectroscopy data. Particularly, we demonstrate that the topological surface states play a key role in enhancing the HER performance. Our study offers a new direction to design cost-effective electrocatalysts.

연구 동기 및 목표

• 토폴로지적 절연체 Bi2Te3의 수소 발생 반응(HER)에 대한 전기촉매 잠재력을 탐색하기 위해.
• Bi2Te3의 내재된 낮은 촉매 성질에도 불구하고, Bi2Te3 내 토폴로지적 표면 상태가 HER 활성을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 원자력 현미경 및 XPS를 이용해 박막 두께와 표면 형태가 전기촉매 성능에 미치는 영향을 연관시키기 위해.
• 이론적 계산과 실험적 특성 분석을 통해 표면 산화물과 Te 양공이 HER 활성 향상에 기여하는 바를 검증하기 위해.

제안 방법

• controlled thickness(예: 48 nm)를 가진 Bi2Te3 박막을 성장시키기 위해 분자기상 에피택시(MBE)가 사용되었다.
• 박막의 나선형 성장 모드와 삼각형 도메인 구조를 분석하기 위해 원자력 현미경(AFM)이 활용되었다.
• X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 Bi2Te3 박막 표면에 산화물 존재가 확인되었다.
• HER 활성을 평가하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산이 수행되었다.
• 선형 스위프 볼타메트리 및 Tafel 분석을 포함한 전기화학적 측정을 통해 HER 활성과 동역학적 파라미터를 평가하였다.
• 이론적 모델링은 토폴로지적 표면 상태가 전하 이동을 촉진하고 HER 동역학을 향상시키는 데서의 역할을 강조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 토폴로지적 절연체는 수소 발생 반응(HER)에 효과적인 비귀금속 전기촉매로 기능할 수 있는가?
• RQ2 표면 산화물과 텔루르 양공은 Bi2Te3 박막의 HER 활성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 토폴로지적 표면 상태는 Bi2Te3의 전기촉매 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 박막 두께와 표면 형태는 Bi2Te3 박막의 전기화학적 활성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 결함이 있는 Bi2Te3 표면에서 예측된 HER 활성 향상 정도가 실험 관측 결과와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 48 nm 두께의 Bi2Te3 박막은 나선형 성장 모드와 삼각형 도메인으로 인해 전기화학적으로 활성 표면적이 넓어져 가장 높은 HER 활성을 보였다.
• XPS 데이터는 Bi2Te3 박막 표면에 산화물 존재를 확인하였으며, 이는 촉매 활성 향상에 결정적인 역할을 한다.
• 이론적 계산 결과, 표면 산화물 또는 Te 양공이 있는 Bi2Te3는 상당히 향상된 HER 활성을 보였고, 순수한 Bi2Te3는 좋은 촉매가 아니었다.
• 토폴로지적 표면 상태는 표면에서 효율적인 전하 이동을 촉진함으로써 HER 성능 향상에 핵심 요소로 규명되었다.
• 48 nm Bi2Te3 박막의 Tafel 기울기는 75 mV/dec로 측정되어 유리한 Volmer-Tafel 기구 동역학을 나타내었다.
• 48 nm 박막의 HER 시작 전위는 RHE 기준 -0.08 V로 측정되어 높은 촉매 효율성을 보였다.