氢能已成为化石燃料的有前途的替代品，提供了一种清洁和可持续的能源。然而，开发低成本、高效率的析氢反应催化剂仍然是一个挑战。
由香港城市大学科学家领导的研究团队最近开发出一种新策略，通过与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。这一创新发现为提高绿色制氢催化剂性能铺平了道路。
通过净零碳排放的电解水工艺生产氢气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换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导致其稳定性不足，导致其催化性能下降。
有见及此，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中心主任陆健教授领导的研究团队，最近研发出一种开创性的图灵结构策略，通过引入高密度纳米孪晶，不仅能活化催化剂，还能稳定催化剂。该方法有效地解决了催化系统中与低维材料相关的不稳定性问题，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，例如贝壳上的规则表面着色。这些模式形成的机理与被誉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，其中扩散系数较小的激活剂诱导局部优先增长。
卢教授说：“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上，很少考虑时空控制。
“然而，纳米材料中的图灵模式可能是通过材料纳米颗粒的各向异性生长来实现的。这种破碎的晶格对称性对特定构型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碎对称性的二维材料。因此，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，该团队使用两步法创建了超薄的铂镍铌纳米片，其条带在拓扑上类似于图灵图案。纳米片上的这些图灵结构是通过纳米晶粒的约束取向附着形成的，从而形成了一个本质稳定的高密度纳米孪晶网络，该网络充当结构稳定剂，防止自发结构退化和应变松弛。
此外，图灵模式产生了晶格应变效应，降低了水解离的能量势垒，优化了析氢反应的氢吸附自由能，增强了催化剂的活性，提供了优异的稳定性。纳米级图灵结构的表面表现出大量的双界面，也使其成为一种特别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纳米催化剂作为一种高效稳定析氢催化剂的潜力。与商业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。Turing 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1000 mAcm−2下实现500小时的稳定性。
“我们的主要发现为低尺寸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式，“卢教授说。“图灵结构优化策略不仅解决了低维材料的稳定性退化问题，而且是一种适用于其他合金和催化体系的通用材料优化方法，最终提高了催化性能。”
