过去的十余年见证了各类拓扑相材料的预言和相继验证。尤其是2016年诺贝尔奖授予了“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”，把对拓扑相物质的研究推向了新的高潮。2019年，三个独立的研究团队通过理论计算搜索了整个材料数据库，发现数千种具有拓扑状态的物质，并以此为基础建立了不同的拓扑电子材料在线数据库。这表明，拓扑相材料广泛存在于实验室样品台上，并有着极大的应用前景，只是其拓扑学性质被大大的忽略了。在各种潜在应用中，基于拓扑绝缘体材料的下一代自旋电子器件和量子计算机尤其具有吸引力。然而，现实却是残酷的，要想完美的“取出”拓扑表面态却绝非易事。合适的带隙大小，高质量的样品，极低的温区仍然是不可逾越的障碍。
图1. 拓扑相材料中的拓扑非平庸表面态、高迁移率电子以及手性费米子可以有效助力异相催化过程。
欣喜的是，化学家们似乎走在了应用的前列，尤其是在异相催化领域，理论和实验在近几年都取得了突破。德国马克斯普朗克固体物理化学研究所李国伟博士和Claudia Felser 教授受Appl. Phys. Lett.（APL）主编的邀请，发表了题为“Heterogeneous catalysis at the surface of topological materials”的展望文章，对拓扑相材料在异相催化领域的应用做了简单的梳理，并提出了有潜力成为下一代高效异相催化剂的材料和目前实验上面临的挑战。
拓扑相材料的新奇物理性质源自于其电子波函数所具有的拓扑结构，这赋予了拓扑材料拓扑非平庸的表面态，而且完全由材料体态电子结构的拓扑性质所决定并受到对称性的保护。拓扑表面态的一个显著的特点是其极高的稳定性，基本不受杂质或无序的影响。拓扑绝缘体最先引起研究者的注意。中国科学技术大学张振宇教授小组的理论计算表明，拓扑表面态中的电子可以作为表面化学反应的电子浴,进而有效的调节分子在催化剂表面的吸附能（Phys. Rev. Lett., 2011, 107, 056804）。这随后也在Bi2Se3 以及Bi2Te3等体系中被证实，拓扑表面态中的电子在被激发后具有更长的寿命，有利于电荷-空穴的分离以及随后的氢还原过程（ChemPhysChem, 2017, 18, 2322）。在电化学催化反应中，催化剂的电导率也是影响催化效率的一个重要因素，这可以通过选用导电性更好的外尔或狄拉克半金属来解决，比如NbP、MoP、Co2Sn2S3等（Adv. Mater., 2017, 29, 1606202; Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1801258; Sci. Adv., 2019, 5, eaaw9867）。
以TiSi 和 PtSn4 等为代表的狄拉克节线态半金属的能带的交叉点在晶格动量空间形成连续的一维闭合曲线，其鼓膜状表面态在表面费米能级具有极高的电子密度。中科院金属所陈星秋研究团队认为此类材料可作为潜在电化学析氢催化平台（Sci. China Mater., 2018, 6, 23）。在高质量PtSn4单晶中确实发现了极高的产氢活性，而且源自于Pt层的表面态中的电子可以有效传递到吸附的氢原子上（Angew. Chem., 2019, 131, 13241）。此外，手性晶体诸如PtGa以及PtAl 具有超长的表面态费米弧，也可以参与氢气还原过程，显示了极高的催化效率 (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908518)。最后，笔者认为钙钛矿家族和Heusler合金家族化合物由于具有丰富且易于调控的物理性质，有望成为下一代的高效异相催化材料。
这一成果近期发表在Applied Physics Letters 上，并被选为当期的Featured Article。文章的第一作者是德国马普固体化学物理所李国伟博士，通讯作者为李国伟博士、Claudia Felser 教授。
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Heterogeneous catalysis at the surface of topological materials
Guowei Li, Claudia Felser
Appl. Phys. Lett., 2020, 116, 070501, DOI: 10.1063/1.5143800
李国伟博士简介
李国伟博士2016年于荷兰格罗宁根大学获得博士学位，之后前往德国马普固体化学物理所进行博士后研究，合作导师为Claudia Felser 教授。期间组建了拓扑与催化课题组并担任课题组长 (Group Leader)。李国伟博士的研究领域主要是拓扑相材料，尤其是拓扑半金属单晶材料的合成、电输运及表面化学性质研究。在相关领域发表论文30余篇，并申请欧洲专利多项。
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