L'économie de l'hydrogène est considérée comme l'une des meilleures options pour fournir de l'énergie renouvelable et, ainsi, contribuer à atténuer les défis environnementaux d'aujourd'hui. La densité énergétique de l'hydrogène est comprise entre 120-142 MJ/kg, qui est bien supérieure à celle de la chimie, fossile, et les biocarburants. Plus important, l'eau est le seul sous-produit lorsque l'hydrogène est utilisé pour produire de l'électricité.

L'électrolyse de l'eau pourrait fournir de l'hydrogène gazeux de haute qualité pouvant être utilisé directement dans les piles à combustible. Cependant, puisque les métaux nobles, comme le platine et l'iridium, sont actuellement nécessaires pour initier une telle réaction, le coût est très élevé. "Évidemment, des catalyseurs à faible coût et à haute activité sont nécessaires pour rendre l'énergie hydrogène plus compétitive par rapport aux technologies traditionnelles, " dit Guowei Li à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides, qui a étudié les réactions de surface de plusieurs matériaux topologiques.

C'était évidemment un grand défi de trouver des alternatives au-delà des métaux nobles. "La topologie peut être la clé pour débloquer la barrière dans la recherche de catalyseurs idéaux, " dit le professeur Claudia Felser, le directeur de l'Institut Max Planck de Physique Chimique des Solides. "Nous avons étudié les propriétés de surface des matériaux d'ordre topologique, des isolants topologiques aux semi-métaux et métaux topologiques, tous ces matériaux ont des états de surface non triviaux qui sont protégés par des symétries."

"En d'autres termes, ces états de surface sont très stables et robustes contre les modifications de surface telles que la diffusion d'impuretés et même l'oxydation :la question que nous nous posons est de savoir si nous pouvons trouver un système aussi parfait qui combine l'ordre topologique, coût perdu, haute efficacité, et une grande stabilité."

L'équipe de l'Institut Max Planck de Physique Chimique des Solides, Dresde, avec des collègues de la TU Dresden et du Max Planck Institute for Microstructure Physics et du Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim a publié un résultat révolutionnaire dans Avancées scientifiques concernant un matériau topologique, à savoir un semi-métal magnétique Weyl, c'est un catalyseur de réaction de dégagement d'oxygène (OER) supérieur. Le semi-métal magnétique weyl que l'équipe a identifié est Co 3 Sn 2 S 2 , un composé shandite à réseau Kagome.

Monocristaux en vrac de haute qualité de Co 3 Sn 2 S 2 avec des tailles allant jusqu'à quelques centimètres peuvent être exfoliées en couches minces avec des surfaces cristallines définies. L'équipe a montré que ces surfaces agissent comme des catalyseurs supérieurs pour le fractionnement de l'eau, même si la surface est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des catalyseurs nanostructurés conventionnels d'aujourd'hui. En collaboration avec le groupe théorique de Yan Sun du Max Planck Institute of Chemical Physics of Solids, ils ont découvert qu'il existe des états de surface topologiques dérivés du cobalt juste au-dessus du niveau de Fermi. Dans le processus d'oxydation de l'eau, ces états de surface peuvent accepter des électrons des intermédiaires de réaction, agissant comme un canal électronique dont la résistance n'est pas affectée par l'environnement électrochimique sévère.

Inspiré par cette stratégie, l'équipe a ensuite étudié les performances catalytiques d'un semi-métal PtSn à arc nodal de Dirac 4 , un composé qui a un pourcentage beaucoup plus faible de platine cher. De tels cristaux ont montré une stabilité électrocatalytique supérieure pendant des périodes de temps dépassant un mois.

"Le travail sert de lentille intéressante dans la chimie de ces processus de réaction et pourrait être une voie vers la compréhension de la chimie elle-même par une connaissance claire de la nature topologique du catalyseur semi-métallique, " dit l'un des examinateurs experts du document.