西安建大云斯宁团队Small:拓扑表面态赋能外尔半金属实现高效制氢与光伏性能提升

[文章信息]II型外尔半金属Mo掺杂WTe2:尿素胶体还原合成及能量转换应用拓扑表面态的理论确认第一作者:张添益通讯作者:云斯宁, 陈长城单位:西安建筑科技大学  [研究背景]在全球能源短缺与环境污染日益加剧的背景下, 开发高效, 稳定且低成本的能源转换材料成为研究热点. 太阳能电池中的三碘化物还原反应(IRR)以及水电解制氢中的析氢反应(HER)对电极催化剂的电子传输能力和反应动力学提出了更高要求. 传统贵金属催化剂虽性能优异, 但成本高, 资源稀缺, 限制了其大规模应用. 拓扑量子材料, 尤其是具有高载流子迁移率和稳定拓扑表面态的外尔半金属, 为设计新一代能源转换催化剂提供了全新思路. 本研究通过创新合成方法, 成功制备出Mo掺杂WTe2外尔半金属, 并在太阳电池光电转换与电解水制氢中展现出卓越性能, 为绿色能源技术发展提供了新材料解决方案. [文章简介]近日, 来自西安建筑科技大学云斯宁教授“新能源材料”研究团队与合作者在国际知名期刊上发表题为“Type-II Weyl Semimetal Mo-Doped WTe2: Urea Colloid Reduction Synthesis and Theoretical Confirmation of Topological Surface States for Energy Conversion Applications”的研究文章. 该研究成功构筑了一类基于Ⅱ型外尔半金属的Mo掺杂WTe2(W1-xMoxTe2)多功能电催化材料. 通过引入简洁可控的尿素胶体还原-惰性气相沉积策略, 实现了WTe2中Mo元素的精准掺杂调控, 在保持拓扑本征结构稳定的同时, 有效调制了其电子结构与拓扑表面态特性. Mo掺杂诱导形成的优化拓扑表面态与丰富活性位点协同作用, 显著提升了电荷传输效率与反应动力学. 所制备的W0. 93Mo0. 07Te2在析氢反应和三碘化物还原反应中均展现出优异活性与长期稳定性, 在HER中, 在10 mA cm-2下, 获得了143 mV的过电位;在IRR中, 实现了8. 96%的光电转换效率, 性能优于传统Pt电极. 结合DFT计算, 从能带结构和中间体吸附角度系统阐明了Mo掺杂调控拓扑表面态以增强催化性能的内在机理, 为拓扑材料在能源转换领域的实际应用提供了新的思路与方向. [本文要点] 要点一:尿素胶体还原策略实现Mo掺杂WTe2的可控合成 通过尿素辅助胶体还原–惰性气相沉积方法, 成功合成了WTe2, MoTe2及不同Mo掺杂比例的W1-xMoxTe2. 尿素在高温下分解产生还原性气体, 为W, Mo和Te的还原反应提供温和且安全的环境. 该方法无需H2气氛和多步前驱体转化过程, 合成路线简洁, 通用性强, 为外尔半金属材料的规模化制备提供了新思路(图1). 图1. (a)W1-xMoxTe2的合成路线. (b)W1-xMoxTe2合成路线的化学反应过程. 要点二:Mo掺杂诱导多级纳米结构, 提升活性位点数量 SEM与TEM结果显示, 随着Mo掺杂量增加, W1-xMoxTe2逐渐由规则棱柱结构演化为片层–枝晶协同堆叠的多级结构. 以W0. 93Mo0. 07Te2为代表, 其由大量纳米枝晶和层状结构构成, 不仅显著增大了比表面积, 也有效缩短了电子和离子的扩散路径. 元素映射结果进一步证实, W, Mo和Te在材料中高度均匀分布, 说明Mo成功掺杂进入WTe2晶格, 为后续催化反应提供了丰富且均一的活性位点(图2).   图2. (a)WTe2, (b)W0. 98Mo0. 02Te2, (c)W0. 93Mo0. 07Te2和(d)W0. 85Mo0. 15Te2的SEM图像. (e)W0. 93Mo0. 07Te2的放大图及其元素映射图. (f)TEM图像, (g)图(f)的元素映射图像, (h)HRTEM图像和(i-n)对应的IFFT图像. 要点三:结构与电子态协同调控验证Mo成功掺杂 XRD分析表明, Mo掺杂后的W1-xMoxTe2整体晶体结构仍保持WTe2的特征衍射峰, 仅出现轻微的峰位偏移, 说明适量Mo掺杂未破坏其主体晶格结构. XPS结果显示, Mo, W与Te之间存在明显的电子相互作用, 掺杂引起的价态变化表明材料内部电子分布发生重构. 这种在保持晶体完整性的同时实现电子结构调控的特性, 有助于提升催化反应中的电子传输. (图3). 图3. (a)不同Mo掺杂浓度的WTe2的XRD图谱, (b)WTe2, W0. 98Mo0. 02Te2(WMT-2), W0. 93Mo0. 07Te2(WMT-7)和W0. 85Mo0. 15Te2(WMT-15)的XRD图谱局部放大. (c)WTe2, MoTe2和W0. 93Mo0. 07Te2的XPS总谱;WTe2, MoTe2和W0. 93Mo0. 07Te2的(d)W 4f, (e)Te 3d和(f)Mo 3d的XPS的精细谱图. 要点四:Mo掺杂WTe2在HER与IRR中实现协同增强的电催化性能 在电化学与光伏性能测试中, W0. 93Mo0. 07Te2展现出最优的综合催化表现. 在IRR中, 基于W0. 93Mo0. 07Te2对电极构筑的太阳电池, 实现了8. 96%的光电转换效率, 明显优于传统Pt电极的7. 22%的效率(图4). 在HER中, 该材料在10 mA cm-2下获得了143 mV的过电位, Tafel斜率低至85 mV dec-1, 显示出快速的反应动力学与优异的电子传输能力. EIS, CV及稳定性测试进一步表明, 该材料具备更低的电荷转移阻抗, 更高的交换电流密度以及长期循环稳定性, 验证了其作为双功能电催化剂的应用潜力(图5). 图4. (a)太阳电池的J–V曲线. (b)Tafel曲线. (c)EIS曲线图(插图为等效电路). (d)对电极的CV曲线. (e)W0. 93Mo0. 07Te2在不同扫描速率下的CV曲线. (f)对电极的Ip与扫描速度平方根之间的关系. (g)外尔半金属组装太阳电池示意图. (h)W1-xMoxTe2太阳电池在7000 lux下的J–V曲线, (i)W1-xMoxTe2基太阳能电池光伏参数. 图5. WTe2, W0. 98Mo0. 02Te2, W0. 93Mo0. 07Te2, W0. 85Mo0. 15Te2, MoTe2, Pt/C, 和NF的(a)LSV极化曲线, (b)Tafel斜率, (c)过电位(η10)和Tafel斜率的比较以及(d)Nyquist图. (e)W0. 93Mo0. 07Te2在不同扫描速率下的CV曲线. (f)电化学双层电容. (g)电化学活性面积. (h)CP曲线. (i)1000次CV循环的初始和最终LSV曲线. 要点五:DFT揭示Mo掺杂调控拓扑表面态与中间体吸附的本征机制 DFT计算系统揭示了Mo掺杂对WTe2拓扑表面态及催化反应路径的调控机制. 计算结果表明, Mo掺杂有效优化了外尔半金属的能带结构和费米能级附近的电子态分布, 使H*和I*等关键中间体的吸附自由能更接近理想催化区间, 从而避免过强或过弱吸附带来的动力学限制. 同时, 拓扑表面态的鲁棒性保证了其在掺杂和表面反应环境下仍能高效参与电子传输. 理论与实验结果相互印证, 阐明了适度Mo掺杂在提升HER与IRR性能中的核心作用机理(图6). 图6. (a)W0. 93Mo0. 07Te2介导的IRR催化路径作用示意图. (b)IRR在WTe2与W0. 93Mo0. 07Te2(WMT)表面的吉布斯自由能分布曲线. (c)II型外尔半金属拓扑表面态示意图及W0. 93Mo0. 07Te2分子结构. (d)W0. 93Mo0. 07Te2在HER催化路径中的作用示意图. (e)WTe2与W0. 93Mo0. 07Te2表面氢氧化反应的吉布斯自由能曲线. (f)掺杂稳健拓扑表面状态在催化反应中的示意图. (g, h)WTe2与W0. 93Mo0. 07Te2的能带结构. [创新点] 1)将Ⅱ型外尔半金属的拓扑表面态作为电催化反应的核心活性来源, 通过Mo掺杂实现对拓扑电子态的精准调控, 使其在HER与IRR中同时参与电子输运与反应中间体吸附, 突破了传统仅依赖化学配位位点的催化剂设计思路. 2)构建了一种无需氢气, 无需多步氧化物前驱体转化的通用合成策略, 仅以尿素和乙醇为反应体系, 实现WTe2, MoTe2及W1-xMoxTe2外尔半金属的可控合成, 为拓扑量子材料的安全, 低成本, 批量化制备提供了全新工艺路径. 3)通过理论计算系统阐明Mo掺杂引发的能带重构与拓扑表面态延展效应, 协同优化H*与I3–中间体的吸附自由能, 从电子结构层面建立“拓扑表面态—反应动力学—宏观性能”之间的直接关联. [总结] 构建的Mo掺杂Ⅱ型外尔半金属W1-xMoxTe2在析氢反应与光伏能源转换中展现出卓越的综合性能. 通过拓扑表面态调控与电子结构优化的协同作用, 使材料在保持低成本与高稳定性的同时, 实现了可媲美甚至超越贵金属催化剂的催化活性, 为贵金属替代提供了切实可行的方案. 本研究结果表明, 拓扑量子材料不仅是新奇物性体系, 更具有在实际能源器件中发挥关键作用的应用潜力. 展望未来, 该“掺杂调控拓扑表面态”的设计策略有望推广至其他外尔半金属及拓扑材料体系, 并拓展至更多能源转换与存储反应中. 同时, 围绕材料的规模化制备, 器件集成及长期服役稳定性开展深入研究, 将有助于推动拓扑催化材料从实验室走向实际应用, 为清洁能源技术发展和碳中和目标的实现提供新的材料支撑与理论基础. [论文信息] Type-II Weyl Semimetal Mo-Doped WTe2: Urea Colloideduction Synthesis and Theoretical Confirmation ofopological Surface States for Energy ConversionApplications. Tianyi Zhang, Tianxiang Yang, Zhao Han, Abdullah Nasir, Haoyi Chen, Guangping Yang, iaorong Xu, Chaowei Luo, Wenqi Guo, ChangchengChen, * and Sining Yun* Small, https://doi. org/10. 1002/smll. 202509804