[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究证明，通过分子束外延生长的48 nm厚铋碲化物（Bi2Te3）拓扑绝缘体薄膜，由于拓扑表面态的存在，其析氢反应（HER）活性显著增强。实验与理论证据共同证实，Bi2Te3表面的氧化物和碲空位显著提升了HER性能，确立了拓扑表面态作为非贵金属电催化剂催化效率的关键因素。

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.

研究动机与目标

• 探索拓扑绝缘体Bi2Te3在析氢反应（HER）中的电催化潜力。
• 研究尽管Bi2Te3本身催化性能较差，其拓扑表面态是否仍能增强HER活性。
• 通过原子力显微镜和X射线光电子能谱分析，建立薄膜厚度与表面形貌对电催化性能的影响关系。
• 通过理论计算与实验表征，验证表面氧化物和Te空位在提升HER活性中的作用。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术生长具有可控厚度（如48 nm）的Bi2Te3薄膜。
• 利用原子力显微镜（AFM）分析薄膜的螺旋生长模式及三角形结构域。
• X射线光电子能谱（XPS）证实了Bi2Te3薄膜表面存在氧化物。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算评估表面氧化物和Te空位存在下Bi2Te3的HER活性。
• 通过线性扫描伏安法和Tafel分析等电化学测量，评估HER活性及动力学参数。
• 理论建模揭示了拓扑表面态在促进电荷转移和提升HER动力学中的关键作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑绝缘体Bi2Te3能否作为有效的非贵金属电催化剂用于析氢反应（HER）？
• RQ2 表面氧化物和碲空位如何影响Bi2Te3薄膜的HER活性？
• RQ3 拓扑表面态在提升Bi2Te3电催化性能中发挥何种作用？
• RQ4 薄膜厚度与表面形貌如何影响Bi2Te3薄膜的电化学活性？
• RQ5 理论预测的缺陷Bi2Te3表面HER活性增强是否与实验观测结果一致？

主要发现

• 48 nm厚的Bi2Te3薄膜表现出最高的HER活性，归因于其螺旋生长模式所形成的三角形结构域带来的大电化学活性表面积。
• XPS数据证实了Bi2Te3薄膜表面存在氧化物，这对提升催化活性至关重要。
• 理论计算表明，具有表面氧化物或Te空位的Bi2Te3表现出显著增强的HER活性，而原始Bi2Te3并非良好催化剂。
• 拓扑表面态被确定为通过促进表面高效电荷转移从而增强HER性能的关键因素。
• 48 nm厚Bi2Te3薄膜的Tafel斜率为75 mV/dec，表明其遵循有利的Volmer-Tafel机制动力学。
• 48 nm薄膜的HER起始电位低至-0.08 V vs. RHE，显示出优异的催化效率。