拓扑绝缘体/金属有机框架异质结构设计助力高效电催化全解水

针对电解水制氢过程中HER和OER反应过电位高、动力学缓慢的问题，山东大学团队通过Fe掺杂Bi2 Se3 拓扑绝缘体与ZIF-67构建异质结构，开发出Fe-BZ/CC双功能电催化剂。该材料在碱性条件下仅需250/270 mV过电位即可驱动10 mA cm?2 的HER/OER活性，组装电解槽仅需1.90 V电压，为拓扑材料在能源转化领域提供新范式。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢能作为清洁能源载体备受关注。电催化全水分解(OWS)技术因其零碳排放特性成为研究热点，但传统贵金属催化剂(Pt/C、IrO₂
)的高成本和稀缺性严重制约其应用。更棘手的是，氢/氧析出反应(HER/OER)存在动力学迟滞问题，导致电解水系统能耗居高不下。近年来，具有独特表面电子态的拓扑绝缘体(TIs)如Bi₂
Se₃
在催化领域崭露头角，但其体相载流子浓度过高会掩盖表面态优势。与此同时，金属有机框架材料ZIF-67虽具有规整孔道结构，却受限于导电性差和活性位点不足。如何通过材料设计协同解决这些瓶颈，成为能源化学领域的重要科学问题。

山东大学研究人员创新性地提出"异质结构建+掺杂调控"双策略，通过水热-自组装两步法在碳布(CC)上构建了Fe掺杂Bi₂
Se₃
/ZIF-67分级异质结(Fe-BZ/CC)。研究采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)确认材料晶体结构与电子态变化，通过扫描电镜(SEM)观察到六方片层堆叠形貌，并利用电化学阻抗谱(EIS)证实界面电荷转移加速效应。

Material synthesis and characterization
通过调控Fe(NO₃
)₃
·9H₂
O掺杂比例，优化后的Fe-Bi₂
Se₃
呈现规整六方片层结构。ZIF-67在Fe-Bi₂
Se₃
表面的外延生长形成紧密界面，XPS显示Fe 2p轨道结合能位移证实电子重分布，DFT计算表明Fe掺杂使Bi₂
Se₃
形成能降低0.35 eV。

Electrocatalytic performance
在1 M KOH电解液中，Fe-BZ/CC表现出超低过电位(HER:250 mV，OER:270 mV@10 mA cm^?2
)，塔菲尔斜率分别为58和67 mV dec^?1
。两电极电解槽仅需1.90 V电压即可稳定运行100小时，性能超越多数已报道拓扑材料。

Conclusions
该研究开创性地将拓扑绝缘体表面态调控与MOFs结构优势相结合，Fe掺杂不仅优化Bi₂
Se₃
电子结构，还与ZIF-67产生界面协同效应，使电荷转移电阻降低72%。这项工作为设计非贵金属双功能催化剂提供了新思路，论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。特别值得注意的是，催化剂在保持拓扑材料本征特性的同时，通过异质界面工程实现了"1+1>2"的催化增强效果，这种策略可拓展至其他量子材料体系的设计。