Vättekonomin anses vara ett av de bästa alternativen för att tillhandahålla förnybar energi och, vari, bidra till att mildra dagens miljöutmaningar. Energitätheten för väte är mellan 120-142 MJ/kg, som är mycket större än kemikaliens, fossil, och biobränslen. Mer viktigt, vatten är den enda biprodukten när väte används för att producera el.

Vattenelektrolys kan ge högkvalitativ vätgas som kan användas i bränsleceller direkt. Dock, sedan ädelmetaller, såsom platina och iridium, behövs för närvarande för att initiera en sådan reaktion, kostnaden är mycket hög. "Självklart, katalysatorer som är billiga med hög aktivitet behövs för att göra vätenergi mer konkurrenskraftig med traditionell teknik, "säger Guowei Li vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, som studerade ytreaktionerna av flera topologiska material.

Det var uppenbarligen en stor utmaning att hitta alternativ bortom ädelmetaller. "Topologi kan vara nyckeln till att låsa upp barriären i sökandet efter ideala katalysatorer, "säger professor Claudia Felser, direktören för Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids. "Vi studerade ytegenskaperna för material med topologisk ordning, från topologiska isolatorer till topologiska semimetaller och metaller, alla dessa material har icke-triviala yttillstånd som skyddas av symmetrier. "

"Med andra ord, dessa yttillstånd är mycket stabila och robusta mot ytmodifieringar som föroreningsspridning och till och med oxidation:frågan vi ställer är kan vi hitta ett så perfekt system som kombinerar topologisk ordning, förlorad kostnad, hög effektivitet, och hög stabilitet. "

Teamet från Max Planck Institute Chemical Physics of Solids, Dresden, tillsammans med kollegor från TU Dresden och Max Planck Institute for Microstructure Physics och Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim publicerade ett genombrottsresultat i Vetenskapliga framsteg om ett topologiskt material, nämligen en magnetisk Weyl -halvmetall, det är en överlägsen syreutvecklingsreaktion (OER) katalysator. Den magnetiska weylhalvmetallen som teamet identifierade är Co ₃ Sn ₂ S ₂ , en Kagome-gitter Shanditförening.

Enkelkristaller av hög kvalitet i bulk ₃ Sn ₂ S ₂ med storlekar upp till centimeter kan exfolieras till tunna lager med definierade kristallytor. Teamet visade att dessa ytor fungerar som överlägsna katalysatorer för vattensplittring, även om ytan är flera storleksordningar mindre än dagens konventionella nanostrukturerade katalysatorer. I samarbete med Yan Suns teorigrupp från Max Planck Institute of Chemical Physics of Solids, de fann att det finns kobolt-härledda topologiska yttillstånd strax över Fermi-nivån. I vattenoxidationsprocessen, dessa yttillstånd kan acceptera elektroner från reaktionsmellanprodukterna, fungerar som en elektronkanal vars motstånd inte påverkas av den hårda elektrokemiska miljön.

Inspirerad av denna strategi, teamet undersökte sedan den katalytiska prestandan för en Dirac nodal arc semimetal PtSn ₄ , en förening som har en mycket lägre andel dyr platina. Sådana kristaller uppvisade överlägsen elektrokatalytisk stabilitet under perioder som översteg en månad.

"Arbetet fungerar som en intressant lins för kemin i dessa reaktionsprocesser och kan vara en väg mot förståelsen av själva kemin genom tydlig kunskap om den semimetalkatalysatorens topologiska natur, "säger en av expertgranskarna av tidningen.