在凝聚态物理和材料科学的前沿领域中，拓扑狄拉克节线半金属因其独特的拓扑能带结构吸引了科研人员的广泛关注。拓扑节线半金属具有体态能带反转导致的稳定闭合环状狄拉克节线，它投影到某些材料的表面会形成闭合的圈，圈内则表现出受拓扑保护的能量色散非常小的鼓膜状拓扑表面态，从而使表面处的费米能级具有极高的电子态密度。

目前，催化活性位置的设计一般需要满足在费米能级处具有较高的电子态密度、高载流子输运速率和适当的热力学稳定性。理论上，由于不易被破坏的鼓膜状拓扑表面态的存在，拓扑节线（半）金属天然融合了费米能级高的电子态密度和高载流子输运速率优势，可为其作为潜在的高效催化平台提供坚实基础。

基于这一设想，最近中科院金属所陈星秋研究团队提出了拓扑量子催化的新概念，即主要利用固体拓扑材料的表面态作为催化活性平台。基于第一性原理计算和模型分析，他们建议拓扑节线半金属TiSi新型家族材料可作为潜在电化学析氢催化平台。

计算结果表明：在自旋-轨道耦合效应较弱的TiSi金属间化合物中，由于Ti的d_yz和d_z²轨道能带反转而导致在布里渊区内的k_y=0平面内形成了闭合的狄拉克节线环，用紧束缚模型分析了k_y=0和k_y=π两个面的瓦尼尔中心的演化，确定了该狄拉克节线环的拓扑非平庸的性质。在与k_y=0平面平行的（010）表面出现了二重简并的非平庸拓扑表面态，该表面态穿过费米能级，导致（010）表面出现了高的电子态密度。氢吸附过程计算表明（010）表面氢吸附自由能△G几乎恰好为0，表明氢既不那么强也不那么弱地被（010）表面吸附。因此，该（010）表面既有利于氢离子得到电子被还原，又有利于氢气的析出。同时，拓扑电荷也被揭示参与了析氢反应过程。

根据这个思路，他们提出了TiSi家族材料不仅有希望成为析氢反应的催化剂，更重要的是它指明了利用固体材料的拓扑表面态设计新型催化剂的新路线——拓扑量子催化。这一利用拓扑节线材料非平庸表面态作为催化活性位置的思路与以往利用纳米、构筑、缺陷、晶界等调控设计催化剂具有本质不同。

图.  拓扑DNLs对TiSi的HER催化活性的影响

该研究得到了国家自然科学基金（51671193 and 51474202）和国家杰出青年基金的资助。

原文信息：

Topologicalquantum catalyst: Dirac nodal line states and a potential electrocatalyst ofhydrogen evolution in the TiSi family. Science China Materials, 2018, 61(1): 23-29

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-017-9178-4