以图灵结构研制出革命性的高效、稳定制氢催化剂

氢能源被视为有望能取代传统化石燃料，成为一种环保并可持续的洁净新能源。然而，若要使氢能普及应用，其中一个棘手的挑战在于如何能研发出低成本而又高效能的催化剂以加速氢气生产。由香港城市大学（城大）学者领导的研究团队，最近开发了一种创新的策略，它透过制备多重纳米孪晶（nanotwins）并形成图灵结构，从而设计出稳定且高效的超薄纳米片催化剂。这一创新的发现，为提高绿色制氢催化剂的性能带来了重大突破。

一直以来，通过水电解技术生产氢气，以实现零碳排放，被视为其中一种最清洁及环保的氢气生产方法。尽管具有可控缺陷或“应变修饰”的低维纳米材料（low-dimensional nanomaterials），早已成为氢能转换及应用的活性电催化剂，但鉴于上述材料会出现自发的结构退化和应变弛豫，导致它的稳定性不足，使其催化性能下降。

为了解决这个难题，由城大工学院院长兼国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任吕坚教授领导的研究团队，最近另辟蹊径，开发出一种创新及革命性的“图灵结构”（Turing structuring）催化剂。他们通过引入高密度的纳米孪晶结晶，不单激活了催化剂，也使催化剂的表现更为稳定。这种新技术有效解决了催化系统中低维物料不稳定的问题，实现了高效且持久的氢气生产。

图灵图案（Turing patterns）又被称为时空静止图案，它普遍存在于生物和化学系统中，例如沙滩贝壳表面的有规律色彩图案。图灵图案的形成机制，与被誉为现代电脑之父之一的英国著名数学家艾伦．图灵（Alan Turing）提出的“反应—扩散”理论有关。在图灵理论中，扩散系数较小的激活因子会诱导出局部优先生长，从而形成图灵图案。

“在以往的研究中，低维材料的制备主要着重于结构控制以实现功能目的，很少会考虑时空控制。”吕坚教授解释了本次研究的背景，他续说：“然而，纳米材料中的图灵图案或许可以通过材料纳米晶粒的各向异性生长来实现。这种晶格对称性的破缺，对于特定结构的形成具有重要的晶体学意义，例子包括具有孪晶和内在对称性破缺的二维（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及其与结晶缺陷的关系。”

在这次研究中，研究团队使用了“两步法”制备了超薄的铂镍铌（PtNiNb）纳米片，其条状拓扑结构与图灵图案类似。这些纳米薄片上的图灵结构，是通过纳米晶粒的约束取向黏附而形成的，这产生了一个内在稳定的高密度纳米孪晶网络。这种网络可充当结构稳定剂，防止自发的结构退化和应变弛豫。

此外，实验中由图灵图案产生的晶格应变效应，降低了“水分解”的能垒，并优化了析氢反应（hydrogen evolution reaction）中的氢吸附自由能，从而增强了催化剂的活性，并提供了卓越的稳定性。由于纳米尺度图灵结构的表面呈现出大量的孪晶界面，这也使到它成为一种非常适合界面主导应用的材料，特别是电化学催化。

研究团队透过一连串的实验，亦证明了新研发的图灵铂镍铌（PtNiNb）纳米催化剂，极具潜力成为一种拥有极佳效率及稳定性的析氢催化剂。与商用的20% Pt/C相比，图灵铂镍铌催化剂的质量活性和稳定性指数，分别提高了23.5倍及3.1倍。基于图灵铂镍铌的阴离子交换膜水电解槽在铂（Pt）载量低至仅得0.05 mg cm⁻²的条件下，也显示出极高的可靠性，在1000 mAcm⁻²的情况下运行500小时后，其催化性能基本上没有衰减。

“我们的研究成果，为低维催化物料的活化与稳定提供了新的技术路径和实现方案，为增强催化剂性能提供了一个全新的范例。”吕教授补充：“图灵结构优化策略不仅回应了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，终极地提高了催化性能。”

上述研究成果已于科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表，文章标题为 〈Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction〉。

论文的共同第一作者是城大的谷佳伦博士和李兰西小姐，通讯作者是吕教授。其他来自香港城大的合作学者包括谢友能博士、陈博博士、王艳菊博士、钟景先生和沈君达博士。

上述研究获得香港城大、香港特别行政区优配研究金计划和创新科技署、国家重点研发计划及广东省科学技术厅等的支持。