设计具有图灵结构的稳定高效的纳米片催化剂用于制氢

氢能已成为化石燃料的一种有前途的替代品，提供清洁和可持续的能源。然而，开发低成本、高效的析氢反应催化剂仍然是一个挑战。

由香港城市大学(城大)科学家领导的研究小组最近开发了一种新策略，通过用多个纳米孪晶形成图灵结构来设计稳定高效的超薄纳米片催化剂。这一创新发现为增强绿色氢生产催化剂性能铺平了道路。

通过水电解工艺制氢，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，但这些材料由于自发结构降解和应变松弛而稳定性不足，导致其催化性能下降。

为了解决这个问题，由城大工程学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任陆健教授领导的研究团队最近开发了一项开创性的图灵结构化策略，该策略不仅激活了还通过引入高密度纳米孪晶来稳定催化剂。这种方法有效解决了催化系统中与低维材料相关的不稳定问题，从而实现高效且持久的氢气生产。

图灵图案，称为时空静止图案，在生物和化学系统中广泛观察到，例如贝壳上的规则表面着色。这些模式形成的机制与现代计算之父之一的英国著名数学家阿兰·图灵提出的反应扩散理论有关，其中扩散系数较小的激活剂会引起局部优先生长。

“在以往的研究中，低维材料的制造主要集中在功能目的的结构控制，而很少考虑时空控制，”卢教授说。

“然而，纳米材料中的图灵图案可以通过材料纳米晶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至关重要的晶体学意义，例如具有孪生和本征破坏的二维(2D)材料对称性。所以我们想探索图灵理论在纳米催化剂生长中的应用以及与晶体缺陷的关系。”

在这项研究中，该团队采用两步法来制造超薄铂镍铌(PtNiNb)纳米片，其条带拓扑类似于图灵图案。纳米片上的这些图灵结构是通过纳米颗粒的约束定向附着形成的，从而形成本质上稳定的高密度纳米孪晶网络，充当结构稳定剂，防止自发结构降解和应变松弛。

此外，图灵图案产生的晶格应变效应可以降低水离解的能垒并优化析氢反应的氢吸附自由能，从而增强催化剂的活性并提供卓越的稳定性。纳米级图灵结构的表面呈现出大量的孪晶界面，也使其成为非常适合界面主导应用的材料，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纳米催化剂作为具有卓越效率的稳定析氢催化剂的潜力。与商用20% Pt/C相比，其质量活性和稳定性指数分别提高了23.5倍和3.1倍。图灵PtNiNb基阴离子交换膜水电解槽具有0.05 mg cm -2的低铂(Pt)质量负载，也非常可靠，因为它可以在1,000 mAcm -2下实现500小时的稳定性。

“我们的主要发现为低维催化材料的活化和稳定提供了宝贵的见解。它为增强催化剂性能提供了一个新的范例，”卢教授说。“图灵结构优化策略不仅解决了低维材料稳定性下降的问题，而且还可以作为适用于其他合金和催化系统的通用材料优化方法，最终提高催化性能。”