Efficient hydrogen evolution reaction due to topological polarization

离子键合 物理 布里渊区 极化(电化学) 动能 氢原子 原子物理学 结晶学 共价键 拓扑(电路) 材料科学 凝聚态物理 物理化学 量子力学 化学 离子 组合数学 数学 群(周期表)
作者
Ming-Chun Jiang,Guang‐Yu Guo,Motoaki Hirayama,Tonghua Yu,Takuya Nomoto,Ryotaro Arita
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (16) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.165120
摘要

Materials carrying topological surface states (TSS) provide a fascinating platform for the hydrogen evolution reaction (HER). Based on systematic first-principles calculations for ${A}_{3}B$ ($A$ = Ni, Pd, Pt; $B$ = Si, Ge, Sn), we propose that topological electric polarization characterized by the Zak phase can be crucial to designing efficient catalysts for the HER. For ${A}_{3}B$, we show that the Zak phase takes a nontrivial value of $\ensuremath{\pi}$ in the whole (111) projected Brillouin zone, which causes quantized electric polarization charges at the surface. There, depending on the adsorption sites, the hydrogen (H) atom hybridizes with the TSS rather than with the bulk states. When the hybridization has an intermediate character between the covalent and ionic bonds, the H states are localized in the energy spectrum, and the change in the Gibbs free energy ($\mathrm{\ensuremath{\Delta}}G$) due to the H adsorption becomes small. Namely, the interaction between the H states and the substrate becomes considerably weak, which is a highly favorable situation for the HER. Notably, we show that $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}G$ for ${\mathrm{Pt}}_{3}\mathrm{Sn}$ and ${\mathrm{Pd}}_{3}\mathrm{Sn}$ are just $\ensuremath{-}0.066$ and $\ensuremath{-}0.092$ eV, respectively, which are almost half of the value of Pt.
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