De waterstofeconomie wordt beschouwd als een van de beste opties voor het leveren van duurzame energie en, daarbij, bijdragen aan het verminderen van de huidige milieu-uitdagingen. De energiedichtheid van waterstof ligt tussen 120-142 MJ/kg, die veel groter is dan die van chemische, fossiel, en biobrandstoffen. Belangrijker, water is het enige bijproduct wanneer waterstof wordt gebruikt om elektriciteit te produceren.

Waterelektrolyse kan waterstofgas van hoge kwaliteit opleveren dat direct in brandstofcellen kan worden gebruikt. Echter, sinds edele metalen, zoals platina en iridium, zijn momenteel nodig om een ​​dergelijke reactie op gang te brengen, de kosten zijn erg hoog. "Blijkbaar, er zijn goedkope katalysatoren met een hoge activiteit nodig om waterstofenergie concurrerender te maken met traditionele technologieën, " zegt Guowei Li van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, die de oppervlaktereacties van verschillende topologische materialen bestudeerde.

Het was natuurlijk een grote uitdaging om alternatieven te vinden die verder gaan dan edele metalen. "Topologie kan de sleutel zijn om de barrière te ontsluiten in de zoektocht naar ideale katalysatoren, " zegt prof. Claudia Felser, de directeur van het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen. "We bestudeerden de oppervlakte-eigenschappen van materialen met topologische volgorde, van topologische isolatoren tot topologische halfmetalen en metalen, al deze materialen hebben niet-triviale oppervlaktetoestanden die worden beschermd door symmetrieën."

"Met andere woorden, deze oppervlaktetoestanden zijn zeer stabiel en robuust tegen oppervlaktemodificaties zoals verstrooiing van onzuiverheden en zelfs oxidatie:de vraag die we stellen is of we zo'n perfect systeem kunnen vinden dat topologische orde combineert, verloren kosten, hoge efficiëntie, en hoge stabiliteit."

Het team van het Max Planck Institute Chemical Physics of Solids, Dresden, samen met collega's van de TU Dresden en het Max Planck Institute for Microstructure Physics en Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim publiceerde een baanbrekend resultaat in wetenschappelijke vooruitgang met betrekking tot een topologisch materiaal, namelijk een magnetisch Weyl-halfmetaal, dat is een superieure zuurstofevolutiereactie (OER) katalysator. Het magnetische weyl-halfmetaal dat het team identificeerde, is Co ₃ sn ₂ S ₂ , een Kagome-rooster Shandite verbinding.

Hoogwaardige bulk eenkristallen van Co ₃ sn ₂ S ₂ met afmetingen tot centimeters kunnen worden geëxfolieerd in dunne lagen met gedefinieerde kristaloppervlakken. Het team toonde aan dat deze oppervlakken fungeren als superieure katalysatoren voor watersplitsing, hoewel het oppervlak verschillende orden van grootte kleiner is dan de huidige conventionele nanogestructureerde katalysatoren. In samenwerking met de theoriegroep van Yan Sun van het Max Planck Institute of Chemical Physics of Solids, ze ontdekten dat er van kobalt afgeleide topologische oppervlaktetoestanden net boven het Fermi-niveau zijn. In het wateroxidatieproces, deze oppervlaktetoestanden kunnen elektronen accepteren van de reactietussenproducten, fungeert als een elektronenkanaal waarvan de weerstand niet wordt beïnvloed door de ruwe elektrochemische omgeving.

Geïnspireerd door deze strategie, het team onderzocht vervolgens de katalytische prestaties van een Dirac nodale boog halfmetaal PtSn ₄ , een verbinding met een veel lager percentage duur platina. Dergelijke kristallen vertoonden superieure elektrokatalytische stabiliteit gedurende perioden van meer dan een maand.

"Het werk dient als een interessante lens voor de chemie van deze reactieprocessen en zou een manier kunnen zijn om de chemie zelf te begrijpen door duidelijke kennis van de topologische aard van de halfmetaalkatalysator, ", zegt een van de deskundige recensenten van de krant.