罗惠霞教授、严凯教授&林仕鑫教授团队SMALL: 提出了一类活性接近Pt的HER电催化剂，新型拓扑二元硅化物- 大数跨境

首页

罗惠霞教授、严凯教授&林仕鑫教授团队SMALL: 提出了一类活性接近Pt的HER电催化剂，新型拓扑二元硅化物

科学材料站

2021-02-05

导读：本文利用电弧放电法快速合成了一系列二元硅化物，打破了高熔点化合物难合成的限制，并通过理论与实验的结合，证实了该系列二元硅化物拥有与Pt媲美的HER性能和潜在应用价值。

文章信息

拓扑二元硅化物，一类新型的活性接近Pt的HER电催化剂

第一作者：何缘

通讯作者：罗惠霞*，林仕鑫*，严凯*

单位：中山大学，国立中山大学

研究背景

过渡金属硅化物是近几年才开始进入人们视线的，人们更多关注的是其物理性质，如分子解离，双外尔声子，螺旋弧量子态，手性费米子等。特别拓扑二元硅化物FeSi，CoSi，MnSi，ReSi，RuSi 和RhSi已经被预言存在新颖的拓扑物理性质。

然而，过渡金属硅化物却很少在电催化领域受到关注，主要原因是硅具有相当高的熔点(~ 1414 oC)，这跟硫化物不一样，硅化物很难通过水热法等常规的湿化学法合成。除此之外，硅表面通常无孔，比表面积小，活性位点少。硅具有半导体能带，这使得硅相对于一般电催化材料如金属和碳而言电导率较低。过去几年也有少许硅化物用于电催化析氢，但性能较差。

最近，拓扑狄拉克节线半金属TiSi被理论预测具有优异的HER性能，不同于传统方法如缺陷和掺杂等提高活性的手段，由于其特殊的拓扑表面态展现了高活性。但至今还没有实验验证拓扑催化这一想法。另一种硅化物RuSi则从理论和实验的角度证实了其优异的HER性能，这是由于间质硅揭开了RuSi表面隐藏的Ru活性位点。

尽管性能优异，但RuSi的合成过程涉及多个复杂步骤，还需要数小时的高温处理以及副产物的除去。

上述两个例子证明了硅化物在电催化HER领域的潜在价值。因此，我们有必要从理论和实验的角度系统地研究硅化物的HER性能，更重要的是开发出简便快捷的合成方法。

文章简介

近日，来自中山大学的罗惠霞教授、严凯教授与国立中山大学的林仕鑫助理教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Discovery and Facile Synthesis of a New Silicon Based Family as Efficient Hydrogen Evolution Reaction Catalysts: A Computational and Experimental Investigation of Metal Monosilicides”的文章。

研究者利用电弧放电法快速合成了一系列二元硅化物，打破了高熔点化合物难合成的限制，并通过理论与实验的结合，证实了该系列二元硅化物拥有与Pt媲美的HER性能和潜在应用价值。

图1. 二元硅化物的电催化HER性能及火山图。

本文要点

要点一：电弧放电法快速合成高熔点化合物

电弧放电法可以在数分钟内合成一系列二元硅化物，且适用于各种各样的过渡金属。该方法打破了高熔点硅的限制，使得硅化物可以像水热法合成的硫化物一样种类丰富，合成过程简便快捷。电弧放电法需要的原料均为组成目标产物的元素单质，无需提前合成复杂的前驱体或各种繁琐的预处理步骤。

该方法合成的产物无需复杂的后处理提纯步骤，反应后即可得到纯的目标产物，或仅需退火处理即可得到单相。因此，电弧放电法是快速合成各类高熔点化合物的理想方法。

要点二：拓扑材料有望成为下一代与Pt媲美的高效廉价催化剂

由电弧放电法合成的八种二元硅化物中有六种属于拓扑材料，分别为TiSi, FeSi, RuSi, RhSi, MnSi和CoSi。NiSi和PdSi 暂未报道是拓扑材料。这八种二元硅化物都表现出类似Pt的高效HER性能，且具有良好的电化学稳定性，是未来发展廉价HER催化剂的理想材料。

要点三：高覆盖率下的高活性表现

第一性原理计算结果表明，该系列二元硅化物在HER过程中具有接近0的自由能。该系列二元硅化物还能实现100%的氢覆盖率，即催化剂的表面活性位点接近100%。更令人惊讶的是，在氢覆盖率为100%的情况下，二元硅化物同样表现出极小的自由能，|∆G| < 0.2 eV。

要点四：前瞻

自从“拓扑量子催化”的概念被提出以来，受到了科研界研究人员的广泛关注。拓扑量子催化材料不仅拓展了量子材料在催化领域的新应用，而且为低成本、高效率的新型催化剂的设计与合成提供了新的研究思路。

此文提出了拓扑量子材料二元硅化物应用于电化学产氢，结合理论计算与实验合成系统研究了这一系列新型的析氢电催化剂的电化学性能，这种拓扑量子催化剂是一种具有地球上丰富且廉价的硅基化合物，而且其多元组合的可能性也为更多硅基化合物催化剂提供可能性。但是本文拓扑材料的电子特性如何影响HER这一本质问题还有待深入探究。

此外，拓扑材料在电催化过程中的机理特性、中间产物和表面变化等还没有系统研究，这不仅需要理论与实验的结合，还需要引入原位表征技术深入探究其反应过程。拓扑HER催化剂的稳定性只有数小时左右，为了更加接近应用需求，其长期稳定性仍有待进一步探究。同时，还需要对反应后的催化剂进行表征，从侧面评价其稳定性。

文章链接

Discovery and Facile Synthesis of a New Silicon Based Family as Efficient Hydrogen Evolution Reaction Catalysts: A Computational and Experimental Investigation of Metal Monosilicides

https://doi.org/10.1002/smll.202006153

通讯作者介绍

罗惠霞教授，博士生导师。

国家优秀青年科学基金获得者、中山大学“百人计划”引进人才、广东省青年珠江学者入选者。2009年（提前一年硕士毕业）毕业于华南理工大学化学与化工学院，并荣获2010年度广东省优秀硕士学位论文。博士师从德国莱布尼茨汉诺威大学物理与电化学所的 J. Caro 教授，并于2012 年以“Excellent”成绩博士毕业并获理学博士学位。随后在美国普林斯顿大学化学系 R. Cava 院士课题组从事博士后研究工作。2016年12月，作为中山大学“百人计划”急需人才青年杰出人才Ⅰ类引进回国，现为中山大学材料科学与工程学院教授。长期从事新型量子材料（主要包括超导材料、拓扑材料、磁性材料）的设计合成及其在能源催化领域的新应用的研究。近年来主持国家自然科学基金、高校基本业务费重点培育项目、广东省自然科学基金等项目多项，曾获“2018年度国际先进材料协会杰出科学家奖(IAAM Scientist Medal)”、在PNAS, Nature Comm., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Mater., J. Mater. Chem.: A, Small, PRB等国际期刊上发表论文50余篇，应邀编著英文专著【Advanced Topological Insulators】1本，撰写英文章节5章；申请国家发明专利11项(已授权1项)，受邀担任国际期刊Aspects in Mining & Mineral Science的副主编，Processes及Energy and Environment Research的编委。

林仕鑫助理教授.

国立中山大学材料与光电科学学院助理教授，曾在台湾清华大学和美国圣母大学学习，曾就职于台湾中央研究所，目前主要从事密度泛函理论计算、计算化学、量子化学、凝聚态理论以及超导性能研究。在Small, Nanoscale, Materials Chemistry Frontiers, Physical Chemistry Chemical Physics等国际学术期刊上发表SCI论文27篇。

第一作者介绍

何缘

2014年本科毕业于华南农业大学，获得华南农业大学优秀毕业生称号，荣获第六届广东省生化技能大赛二等奖，多次校级奖学金及文体奖励；2017年硕士毕业于中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，获得江苏省优秀专业学位硕士学位论文奖；2020年博士毕业于中山大学，研究方向为电催化析氢及乙醇氧化，获得中山大学优秀研究生奖学金。近5年以第一作者身份发表SCI论文8篇，其中JCR一区4篇；撰写英文综述1篇；申请国家发明专利4项。

课题组介绍

中山大学材料科学与工程学院罗惠霞课题组-量子材料及能源催化团队，成立于2017年1月，详见课题组网页(https://www.x-mol.com/groups/luohx)。本课题组自成立以来在量子材料与能源催化料领域发表了数篇高质量论文，同时积极指导本科生科研训练，积极参与各类竞赛并取得优异成绩。已出站的博士后及毕业的研究生或出国深造，或在高校、研究所、国企工作，均具有良好的发展前景。本课题组目前仍处于发展阶段，欢迎海内外有志者加入，共同创造更美好的未来！

课题组招聘

罗惠霞教授课题组招聘副教授2-3名（需要满足中山大学副教授引进条件，研究方向与新型量子材料及能源催化材料的设计与合成领域相关），并常年招聘专职人员（包括博士后）。具体研究方向如下：(1)新型超导（磁性）材料的设计与生长; (2)拓扑材料（拓扑绝缘体、威尔半金属材料、拓扑超导体）的设计与生长；(3)新型拓扑量子催化材料的设计合成及其性能的研究(新型量子材料在电催化，光催化，储能等方面的应用)；(4)其它新型无机固体功能或能源材料的设计及其应用。有意者请将个人简历(个人基本信息及学习工作经历)及学术业绩(研究成果、发表论文目录及三篇代表性论文)发送至luohx7@mail.sysu.edu.cn。