革新稳定高效的具有图灵结构的制氢催化剂

氢能已成为化石燃料的一种有前途的替代品，提供了一种清洁和可持续的能源。然而，开发低成本和高效的析氢反应催化剂仍然是一个关键的挑战。由香港城市大学(CityU)科学家领导的研究团队最近开发了一种新颖的策略，通过形成具有多个纳米孪晶的图灵结构来设计稳定高效的超薄纳米片催化剂。这一创新发现为提高绿色制氢的催化剂性能铺平了道路。

通过电解水制氢实现净零碳排放是清洁制氢工艺之一。

虽然具有可控缺陷或应变修饰的低维纳米材料已成为氢能转化和利用的活性电催化剂，但由于自发的结构降解和应变弛豫，这些材料的稳定性不足，导致其催化性能下降。

为了解决这个问题，由香港城市大学工程学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分部主任卢健教授领导的研究团队最近开发了一种开创性的图灵结构策略，通过引入高密度纳米孪晶不仅可以激活催化剂，还可以稳定催化剂。

这种方法有效地解决了催化系统中低维材料的不稳定性问题，实现了高效和持久的制氢。

图灵模式，被称为时空静止模式，在生物和化学系统中被广泛观察到，例如贝壳的规则表面着色。

这些图案形成的机制与被视为现代计算之父之一的英国著名数学家艾伦·图灵提出的反应扩散理论有关。在该理论中，扩散系数较小的活化剂诱导局部优先生长。

“在以前的研究中，低维材料的制备主要集中在功能目的的结构控制上，很少考虑时空控制，”卢教授解释了这项研究的背景。

“然而，纳米材料中的图灵图案可以通过材料纳米颗粒的各向异性生长来实现。这种破坏的晶格对称性对于特定结构的生长具有重要的晶体学意义，例如具有孪晶和内在破坏对称性的二维(2D)材料。所以我们想探索图灵理论在纳米催化剂生长上的应用以及与晶体缺陷的关系。”

在这项研究中，该团队使用两步方法创建了超薄铂镍铌(PtNiNb)纳米片，其条带在拓扑结构上类似于图灵图案。

纳米片上的这些图灵结构是通过纳米颗粒的受限定向附着形成的，从而形成了内在稳定的高密度纳米孪晶网络，该网络充当结构稳定剂，防止自发的结构降解和应变松弛。

此外，图灵图案产生晶格应变效应，降低了水离解的能垒并优化了析氢反应的氢吸附自由能，增强了催化剂的活性并提供了优异的稳定性。

纳米级图灵结构的表面显示出大量的孪晶界面，这也使其成为界面主导应用特别适合的材料，特别是电化学催化。

在实验中，研究人员展示了新发明的图灵PtNiNb纳米催化剂作为高效稳定的析氢催化剂的潜力。

与商用20% Pt/C相比，它的质量活性和稳定性指数分别提高了23.5倍和3.1倍。具有0.05 mg cm的低铂(Pt)质量负载的Turing PtNiNb基阴离子交换膜水电解槽−2也非常可靠，因为它可以在1,000 mAcm下稳定运行500小时−2.

“我们的关键发现为低维催化材料的活化和稳定提供了宝贵的见解。它为提高催化剂性能提供了一个新的范例。“图灵结构优化策略不仅可以解决低维材料稳定性下降的问题，还可以作为一种适用于其他合金和催化系统的通用材料优化方法，最终增强催化性能。”

来源: Materials provided by City University of Hong Kong.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Jialun Gu, Lanxi Li, Youneng Xie, Bo Chen, Fubo Tian, Yanju Wang, Jing Zhong, Junda Shen, Jian Lu. Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction. Nature Communications, 2023; 14 (1) DOI: 10.1038/s41467-023-40972-w