[論文レビュー] Expediting hydrogen evolution through topological surface states on Bi2Te3

Qing Qu, Bin Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 68被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、分子線エpitaxial法を用いて成長した48 nm 厚のビスマスチリウド（Bi2Te3）トポロジカル絶縁体薄膜が、トポロジカル表面状態のおかげで水素発生反応（HER）活性が向上することを示している。実験的および理論的証拠から、Bi2Te3の表面酸化物および tellurium 空孔がHER性能を顕著に向上させることを確認し、トポロジカル表面状態が貴金属でない電気触媒における触媒効率の主要因であることが明らかになった。

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.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体Bi2Te3の水素発生反応（HER）における電気触媒可能性を調査すること。
• Bi2Te3が固有に低い触媒特性を示すにもかかわらず、そのトポロジカル表面状態がHER活性を向上させうるかどうかを検証すること。
• 原子間力顕微鏡法およびX線光電子分光法を用いて、薄膜の厚さと表面形態を電気触媒性能と関連付けること。
• 理論的計算と実験的特徴付けを通じて、表面酸化物およびTe空孔がHER活性を向上させる役割を検証すること。

提案手法

• 48 nm などの制御された厚さを有するBi2Te3薄膜の成長に分子線エpitaxial法（MBE）が用いられた。
• スパイラル成長モードおよび三角形ドメイン構造の分析に原子間力顕微鏡法（AFM）が用いられた。
• X線光電子分光法（XPS）により、Bi2Te3薄膜に表面酸化物が存在することが確認された。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、表面酸化物およびTe空孔を有するBi2Te3のHER活性を評価した。
• 線形走査ボルタメトリーおよびTafel解析を含む電気化学的測定により、HER活性および動力学的パラメータが評価された。
• 理論的モデリングにより、トポロジカル表面状態が電荷移動を容易にし、HER動力学を向上させる役割が強調された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル絶縁体Bi2Te3は、水素発生反応（HER）のための効果的な貴金属でない電気触媒として機能できるか？
• RQ2 表面酸化物およびテルル空孔は、Bi2Te3薄膜のHER活性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 トポロジカル表面状態は、Bi2Te3の電気触媒性能を向上させる役割を果たすか？
• RQ4 薄膜の厚さおよび表面形態は、Bi2Te3薄膜の電気化学的活性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 欠际を有するBi2Te3表面におけるHER活性の向上に関する理論的予測が、実験的観察とどの程度一致するか？

主な発見

• 48 nm 厚のBi2Te3薄膜が最大のHER活性を示し、スパイラル成長モードに伴う三角形ドメイン構造のおかげで電気化学的活性表面積が大きくなったことが要因である。
• XPSデータにより、Bi2Te3薄膜に表面酸化物が存在することが確認され、これが触媒活性の向上に不可欠であることが示された。
• 理論的計算から、表面酸化物またはTe空孔を有するBi2Te3は著しく改善されたHER活性を示す一方、完全なBi2Te3は優れた触媒ではないことが判明した。
• トポロジカル表面状態が、表面における効率的な電荷移動を促進することで、HER性能の向上に重要な要因であることが同定された。
• 48 nm 厚のBi2Te3薄膜のTafel傾きは75 mV/decと測定され、好ましいVolmer-Tafel機構の動力学を示している。
• 48 nm 薄膜のHERの開始電位はRHE基準で-0.08 Vにまで低く、高い触媒効率を示している。