氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池中的关键环节，被认为与低碳能源技术发展密切相关。但在多数材料上，ORR动力学较慢，进而影响效率并推高成本，如何获得更高效的ORR催化剂仍是降低能源足迹的重要课题。
近年来，二维（2D）拓扑材料因其由自旋轨道耦合（SOC）带来的独特电子性质而被视为潜在电催化剂。相关研究通常将拓扑表面态（TSSs）视为在反应过程中保持洁净且稳定的理想表面。然而在实际电化学环境中，催化剂表面会与电解质及反应中间体持续作用，形成电化学表面态（ESSs），真实工作表面与理想模型存在差异。
为评估真实表面对拓扑性质与催化性能的影响，东北大学研究人员选取单层铂铋化物（PtBi₂）这一原子级薄的二维材料作为模型拓扑电催化剂。研究团队结合量子级计算与能够捕捉反应pH依赖性的模型，确定了PtBi₂在氧还原条件下的实际工作表面。
研究结果显示，在ORR相关电位下，PtBi₂保持稳定，其表面几乎被一层羟基（HO*）物种覆盖。研究人员据此指出，反应中的活性表面并非理想化的拓扑表面，而是运行过程中由HO*诱导形成的电化学表面态。
研究进一步发现，这种表面重构并未消除材料的拓扑特性，反而会重塑电子结构，形成局域的SOC驱动表面态，并在费米能级附近呈现高电子态密度的平带特征。研究人员表示，这些变化增强了电子与ORR中间体的耦合，并降低了体系对界面偶极子的敏感性。
在明确纳入pH效应后，研究团队还预测PtBi₂在碱性环境中可实现接近峰值的ORR活性，并强调应在真实电化学条件下评估催化性能，而非仅依赖理想化表面模型。
该研究发表于《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters）。东北大学WPI-AIMR杰出教授李昊表示，研究表明拓扑表面态不仅能够在电化学重构中“存活”，还可能在这一过程中得到优化，并为下一代电催化剂设计提出原则：需要同时考虑量子拓扑与电化学表面化学。
