RhSi、RhSn 和 RhBiS 的晶体和电子结构手性。a，本征手性结构的图示。可以通过考虑 Rh 原子形成的螺旋来区分旋向。大（灰色）和小（蓝色和红色）箭头分别代表电流流向和围绕 Rh 的感应自旋极化。b，Γ 点周围费米表面上的自旋织构图示。晶格手性导致单极子状自旋纹理，当电流流过晶体时，会产生自旋极化。c， RhBiS 倒易晶格中 （0kl） 平面的单晶 XRD 图谱。衍射点与 P2 一致13 空间组。d，RhBiS（黑点）的劳厄衍射图谱叠加在 （100） 表面的理论模拟花样（红点）上。e， RhBiS 的 STEM 图像。f，（111） 表面上的 RhBiS 晶体结构图，其中 Rh 原子沿 （111） 方向呈螺旋排列。黄色、粉红色和灰色球体分别代表 Rh、Bi 和 S。图片来源：Nature Energy （2024）。DOI： 10.1038/s41560-024-01674-9

水分解——将水分子分解成氢和氧——是通往可持续能源的一条有前途的途径。然而，这一过程长期以来一直受到析氧反应缓慢的化学动力学的挑战，这使得制氢效率低下且成本高昂。

一个国际研究团队现在发现了一个解决方案。通过使用具有独特内禀“手性”结构的特殊晶体（这意味着它们具有独特的左旋或右旋原子排列），研究人员极大地改进了水分解过程。

研究结果发表在《自然能源》杂志上。

拓扑手性晶体由铑和硅、锡和铋等元素组成，具有操纵电子自旋的非凡能力。这种量子力学特性允许电子以高效的方式转移到氧气生成中，从而显着加速整个化学反应。

“这些晶体本质上是量子机器，”马克斯·普朗克固体化学物理研究所的首席研究员 Xia Wang 博士说。“通过利用电子独特的自旋特性，我们创造了一种性能优于传统材料的催化剂 200 倍。”

Binghai Yan 教授补充道：“我们知道我们的催化剂仍然含有稀有元素，但我们有信心，根据我们的设计方案，我们很快就会推出高效且可持续的催化剂。

这一突破不仅仅是科学上的好奇心，它代表了可再生能源技术的潜在飞跃。这种新的催化剂可以使氢气生产更快、更高效、更经济可行，使我们更接近清洁能源的未来。

这项研究由马克斯·普朗克研究所 CPfS 和魏茨曼科学研究所的科学家进行，展示了尖端量子物理学如何解决现实世界的能源挑战。

更多信息：Xia Wang et al， 具有内禀手性的拓扑半金属作为析氧反应的自旋控制电催化剂， Nature Energy （2024）.DOI： 10.1038/s41560-024-01674-9

期刊信息： Nature Energy