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Double dual-nodal-line semimetals with large surface density of states: Topological quantum catalysts for the hydrogen-evolution reaction

半金属 拓扑(电路) 催化作用 费米能级 吉布斯自由能 物理 曲面(拓扑) 材料科学 凝聚态物理 电子 量子力学 化学 带隙 几何学 组合数学 生物化学 数学
作者
Xiaotian Wang,Lirong Wang,Chengwu Xie,Ying Liu,Guodong Liu,Wenhong Wang,Zhenxiang Cheng,Gang Zhang,Xiaoming Zhang
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:20 (4) 被引量:15
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.20.044042
摘要

Topological quantum catalysts are developing rapidly due to the emergence of exotic quantum materials and their corresponding catalytic performance. Although tens of thousands of topological semimetals have been developed, their low topological surface density of states (DOSs) remains a hindrance to the development of high-performance catalysts for electrochemical hydrogen evolution reactions (HERs). In this work, we investigate the potential of double dual-nodal line (DDNL) semimetals, which exhibit large surface DOSs and fair-low Gibbs free energies, as ideal topological quantum catalysts (TQCs) for HER. Using the $\mathrm{Na}\mathrm{Al}\mathrm{Ge}$ compound as a representative example, we demonstrate that its DDNLs and high surface DOSs around the Fermi level provide advantages for achieving exceptionally high catalytic activity in the electrochemical HER process. Through a comparison of catalytic performance under different (electron and hole) doping and uniaxial strain conditions, we establish a linear correlation between the Gibbs free energy ($\mathrm{\ensuremath{\Delta}}{G}_{{\mathrm{H}}^{\ensuremath{\ast}}}$) and the projected surface DOSs on the (001) semi-infinite surface of the DDNL semimetal $\mathrm{Na}\mathrm{Al}\mathrm{Ge}$, specifically for the hydrogen evolution process. Our work introduces an alternative category of high-performance TQCs free of noble metals and contributes to a better understanding of the relationship between catalytic performance for HER and surface DOSs in DDNL semimetals.
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