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文 章 信 息
具有周期性碲空位的二维拓扑铂碲化物超结构用于高效稳定的催化
第一作者：徐信，王雪纯，余书铭
通讯作者：马亚平*，明方飞*，崔萍*，肖旭东*
通讯单位：河南大学，中山大学，中国科学技术大学，武汉大学
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研 究 背 景
发展碳中和经济需要用可再生资源(如水、二氧化碳、氮气和太阳能)取代化石燃料，电催化是一种有效的方法。二维过渡金属硫族化合物(TMDs)已被证明是制氢领域极具前景的催化剂候选材料。通过在TMDs的惰性基面上引入缺陷，如空位、边界或掺杂等，能够有效引入催化活性位点。进一步地，如果能够将金属原子位点的间距缩小到单原子极限，同时保持其活性不减，就可以极大提高金属原子活性位点的密度，这在概念上具有更为重要的意义。
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文 章 简 介
近日，河南大学马亚平教授、中山大学明方飞副教授、中国科学技术大学崔萍研究员与武汉大学肖旭东教授联合新加坡国立大学、北京航空航天大学、安徽大学等国内外多个课题组合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Two-Dimensional Topological Platinum Telluride Superstructures with Periodic Tellurium Vacancies for Efficient and Robust Catalysis”的研究论文。该论文提出了一种新型 PtTe2-x 超结构催化剂，并展示了其在析氢反应 (HER) 中的显著电催化性能。该材料通过从底层构建 (bottom-up) 的纳米制造工艺实现了周期性 Te 空位，以暴露高密度的Pt活性位点，且在极高电流密度下表现出卓越的催化稳定性。
图1. 逐步退火的样品制备策略。
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本 文 要 点
要点一：缺陷工程与结构设计
通过在 Pt(111) 单晶基底上沉积 Te，经过分步退火获得了不同 Te 空位结构的 PtTe2-x，特别是在 400°C 下形成了 (7×7)-PtTe2-x 超结构。样品表面的高分辨率扫描隧道显微镜 (STM) 及截面的扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像表明，该结构具有规则的 Kagome 格子排列，Te 空位形成了周期性的 (7×7)-PtTe2-x超结构。此结构中的 Te 空位实现了高密度的Pt活性中心 (>5.0 sites nm-2)，极大提升了材料的催化活性。这种精准控制的结构在 TMDs 的缺陷工程中尚属首次，并使得 PtTe2-x超结构的催化位点密度接近单原子催化剂（SACs）水平。
图2. (7×7)-PtTe2-x的原子结构。
要点二：高效电催化性能
通过线性扫描伏安法 (LSV) 测试，(7×7)- PtTe2-x在酸性电解质中表现出极低的过电位（42 mV，在 10 mA cm-2），显著优于 PtTe2 (168 mV) 和 (2×2)-PtTe2-x (140 mV)，与商业 Pt/C 催化剂（36 mV）相当。Tafel 斜率测试结果显示，(7×7)-PtTe2-x 的斜率为 56.7 mV dec-1，低于 Pt(111) (120 mV dec-1)，但稍高于 Pt/C 催化剂 (33.0 mV dec⁻¹)，说明其反应动力学效率显著提升。在循环伏安法 (CV) 的电化学活性表面积 (ECSA) 测量中，(7×7)- PtTe2-x样品的双层电容 (Cdl) 为 19.2 mF cm-2，显示出高表面活性，与 Pt/C 相比具有竞争力。
图3. PtTe2-x在酸性电解质中的HER性能和运行稳定性。
要点三：理论验证
第一性原理计算表明，(7×7)-PtTe2-x超结构具有八种不同类型的Pt位点（Pt1 至 Pt8），其氢吸附自由能 (ΔGH*) 均接近于零，最小值达-0.007 eV，优于Pt(111)表面（其ΔGH*为−0.095 eV），说明这些未配位的Pt位点非常有利于HER。相比之下，PtTe₂ 的 ΔGH* 高达1.056 eV，几乎无催化活性。进一步计算显示 (7×7)-PtTe2-x在高氢覆盖率条件下仍维持高效催化活性。同时，该材料具有非平庸的能带拓扑结构及鲁棒的边缘态，进一步提升了其 HER的催化性能。
图4. 氢吸附自由能和拓扑边缘态的理论计算。
要点四：应用稳定性与潜力
在长期稳定性测试中，(7×7)-PtTe2-x在 100 mA cm⁻² 的恒电流下运行超过 90 小时，表现出优异的稳定性，而 Pt/C 催化剂在相同条件下发生性能衰退。该样品甚至在 300 mA cm-2的大电流密度下也表现出超过 70 小时的长期稳定性，增强了其在工业规模应用方面的潜力。而且电催化测试后，该材料的晶体结构完整性也未受损，为工业规模应用展示了良好前景。此外，该结构在碱性电解质中同样表现出良好的 HER 活性，过电位为 82 mV（在 10 mA cm-2），进一步验证了其在不同介质中的应用潜力。
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文 章 链 接
Two-Dimensional Topological Platinum Telluride Superstructures with Periodic Tellurium Vacancies for Efficient and Robust Catalysis
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c10085
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通 讯 作 者 简 介
马亚平教授简介：2012年获中国科学技术大学学士学位，2017年获香港中文大学博士学位，随后在新加坡国立大学吕炯副教授课题组从事博士后研究工作。2021年加入河南大学，现为未来技术学院/河南省量子材料与量子能源重点实验室黄河学者特聘教授及武汉大学/河南省科学院访问学者。长期从事表面科学及低维材料制备与应用开发。已在ACS Nano, Nano Energy, Small等学术刊物上发表论文20余篇。
明方飞副教授简介：2012年获香港中文大学物理学博士学位，2012年8月到2014年2月在香港中文大学做事博士后，2013年7月到2014年4月在中国科学技术大学做访问研究，2014到2018年在田纳西大学诺克斯维尔分校做博士后。2018年9月加入中山大学电子与信息工程学院、广东省显示材料重点实验室。主要从事表面科学及微纳器件的实验研究。已在Nat. Phys., Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., ACS Nano等学术刊物发表论文25篇。
崔萍研究员简介：2000年获中国科学技术大学学士学位，2006年获香港科技大学博士学位。之后回到中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心工作至今。2017年获国家自然基金委优秀青年基金。近年来主要围绕二维及更低维材料体系，运用基于第一性原理的多尺度计算、模拟与理论，从结构设计、非平衡生长机理到物性优化开展系统的基础研究。已在Phys. Rev. Lett., Nat. Phys., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano等学术刊物发表论文70余篇。
肖旭东教授简介：国家重大科学研究计划首席科学家、海外杰出青年学者和中国科学院海外知名学者。肖教授于1986年获中国科学技术大学学士学位，1992年获加州大学伯克利分校博士学位。其后在香港科技大学、香港中文大学工作，现任职于武汉大学。长期从事表面科学及太阳能电池研究，已在Science, Phys. Rev. Lett., Adv. Mater., ACS Nano等学术刊物发表论文200余篇，被引用次数超过11,000次，H因子54，并有近60项中国和美国专利。
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