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中安在線、中安新聞客戶端訊 記者3月4日從中國科大獲悉，近日，中國科學技術大學曾杰教授團隊和王征飛教授團隊合作，提出拓撲量子催化新概念。研究人員通過巧妙設計，將拓撲量子物態(tài)調控方案用于催化實驗，為揭示催化反應中拓撲表面態(tài)“開關”效應提供了確鑿的實驗證據(jù)。相關成果日前發(fā)表于《美國化學會志》。
在多相催化中，反應物吸附、電子轉移、中間體演變等過程對催化劑的表面環(huán)境高度敏感。拓撲材料的拓撲表面態(tài)受對稱性保護，且不受局部擾動的影響。因而拓撲材料是研究催化反應中表面電子態(tài)效應的理想平臺。
此次工作中，研究人員選擇室溫拓撲材料硒化鉍為研究對象，設計兩組對照實驗探究電催化反應中的拓撲表面態(tài)“開關”效應：通過減小硒化鉍厚度，在不改變催化劑表面結構的情況下，借助量子限域效應消除其拓撲表面態(tài)；對具有拓撲表面態(tài)的硒化鉍施加強磁場，利用磁場引起的塞曼效應與軌道效應打破時間反演對稱性，進而消除拓撲表面態(tài)。
理論研究發(fā)現(xiàn)，有拓撲表面態(tài)的硒化鉍可以弱化關鍵中間體吸附，顯著調控關鍵中間體界面行為。根據(jù)硒化鉍的結構特性，研究人員構建出層厚分別為六納米和兩納米的硒化鉍模型催化劑。利用角分辨光電子能譜證實六納米硒化鉍存在拓撲表面態(tài)，而兩納米硒化鉍不存在拓撲表面態(tài)。電催化實驗研究表明，六納米硒化鉍二氧化碳電催化還原主要形成液態(tài)產(chǎn)物，而兩納米硒化鉍易產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。當六納米硒化鉍在強磁場中電催化二氧化碳還原時，其催化性能隨磁場強度變化逐步接近兩納米硒化鉍性能。密度泛函理論研究發(fā)現(xiàn)，有拓撲表面態(tài)的硒化鉍通過降低產(chǎn)生甲酸和草酸的速控步反應勢壘，同時提高形成一氧化碳的速控步反應勢壘，致使其更易形成液體產(chǎn)物。因此，“開/關”拓撲表面態(tài)會顯著調控二氧化碳電催化還原反應性能。
研究人員介紹，研究通過精準“開關”拓撲表面態(tài)，為凝練硒化鉍拓撲表面態(tài)和二氧化碳電催化還原反應性能構效關系提供了直接實驗證據(jù)，開辟出拓撲量子催化新方向。（記者 汪喬）