一、研究背景

氢析出反应 (HER) 是实现绿色制氢与碳中和的核心技术，而二维 (2D) 材料因其原子级厚度、大比表面积和可调控电子结构，成为极具潜力的电催化剂。然而，绝大多数原始 2D 材料的基面配位饱和且呈半导体特性，导致其 HER 活性几乎完全局限于边缘和缺陷位点，基面催化惰性严重制约了整体性能的进一步提升。

近日，澳大利亚新南威尔士大学 Wenxian Li 团队、北京理工大学 Gang Zhang 团队与卧龙岗大学 Jialin Gong 团队合作，在国际顶级期刊《Advanced Science》发表最新研究成果，提出了一种革命性的单原子插层策略，首次在单一材料体系中同时实现了铁电性、拓扑金属性与高性能可调控 HER 活性，为设计下一代多功能电催化剂开辟了全新路径。

二、核心创新突破

通过将孤立 Cu 原子插入到多孔 AB₃(A=Bi, Sb, As; B=Cl, Br, I) 单层的晶格间隙中，研究团队成功将原本非极性、半导体性、基面惰性的母体材料，转化为具有以下特性的多功能催化平台：

1. 铁电金属性：打破反演对称性，产生可切换的面外铁电极化，同时实现半导体 - 金属转变
2. 拓扑电子态：在费米能级附近诱导出 Weyl 点，载流子费米速度接近石墨烯
3. 基面 HER 激活：将原本高达67-2.86 eV 的氢吸附自由能 (ΔG_H*) 优化至接近理想值 (-0.02 eV)
4. 电可控催化：通过铁电极化反转，可实现 HER 活性的可逆、大幅度调控

三、关键研究结果

1. 单原子插层诱导多重物性转变

• 结构对称性破缺：Cu 插层将 AB₃单层的层群从中心对称的 LG 71 转变为极性的 LG 70，为铁电性提供了结构基础
• 铁电性能优异：以代表性的 Cu-BiCl₃为例，其面外极化强度达46 pC/m，远高于 1T'-ReS₂(0.07 pC/m) 等已知 2D 铁电体；极化切换能垒仅为0.407 eV，可在实际电场下实现可逆翻转
• 拓扑金属化：Cu 原子与宿主 Cl 原子的强杂化重构了电子结构，不仅驱动半导体 - 金属转变，还在费米能级附近产生了线性色散的 Weyl 点，其费米速度高达368×10⁶ m/s，与石墨烯处于同一数量级

2. 媲美 Pt 的基面 HER 活性与极化调控能力

• 活性位点激活：Cu 插层后，原本惰性的 Bi 顶位成为高活性位点，在 P↑极化态下，ΔG_H * 仅为 **-0.02 eV**，几乎达到 HER 催化的热力学理想值 (0 eV)，性能与商业 Pt 催化剂相当
• 电可控催化：当铁电极化反转至 P↓态时，ΔG_H * 变为 **-0.32 eV**，实现了 30 eV 的巨大调控幅度，使催化剂可在 "高活性" 与 "低活性" 状态之间可逆切换
• 普适性规律：研究发现，Cu-AB₃家族材料的铁电极化强度与 HER 活性调控幅度呈线性正相关(R²=0.6847)，极化越大，调控效果越显著，为定向设计可控催化剂提供了定量指导

四、原子级机制揭秘

1. 拓扑态增强催化：Weyl 点对应的电子态主要局域在 Bi 原子上，显著提高了费米能级处的态密度和载流子迁移率，为 H * 吸附提供了充足的电子供应
2. 极化调控机理：铁电极化反转通过改变表面功函数 (Cu-BiCl₃从 155 eV 变为 4.431 eV)，调控表面电子给体能力，从而改变 H * 与表面的结合强度
3. 铁电金属的独特优势：二维体系中，面外极化不会被体内传导电子完全屏蔽，使得铁电性与金属性能够共存，这是传统三维铁电材料无法实现的

五、研究意义与展望

本工作首次提出了单原子插层驱动拓扑铁电金属的全新材料设计理念，解决了长期以来 "铁电性与金属性难以共存" 的科学难题，并成功将其应用于电催化领域。这种集拓扑、铁电、金属性和催化活性于一体的多功能材料，不仅为解决 2D 材料基面惰性问题提供了有效策略，更开创了电可控拓扑催化这一新兴研究方向。

未来，通过进一步优化插层原子种类和宿主材料结构，有望实现对更多电化学反应 (如 CO₂还原、氮还原) 的精准调控，为高效、智能的电化学能源转换系统奠定材料基础。

📄 论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75741