以圖靈結構研製出革命性的高效、穩定製氫催化劑

氫能源被視為有望能取代傳統化石燃料，成為一種環保並可持續的潔淨新能源。然而，若要使氫能普及應用，其中一個棘手的挑戰在於如何能研發出低成本而又高效能的催化劑以加速氫氣生產。由香港城市大學（城大）學者領導的研究團隊，最近即開發了一種創新的策略，它透過製備多重納米孿晶（nanotwins）並形成圖靈結構，從而設計出穩定且高效的超薄納米片催化劑。這一創新的發現，為提高綠色製氫催化劑的性能帶來了重大突破。

一直以來，通過水電解技術生產氫氣，以實現零碳排放，被視為其中一種最清潔及環保的氫氣生產方法。儘管具有可控缺陷或「應變修飾」的低維納米材料（low-dimensional nanomaterials），早已成為氫能轉換及應用的活性電催化劑，但鑑於上述材料會出現自發的結構退化和應變弛豫，導致它的穩定性不足，使其催化性能下降。

為了解決這個難題，由城大工學院院長兼國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心主任呂堅教授領導的研究團隊，最近即另闢蹊徑，開發出一種創新及革命性的「圖靈結構」（Turing structuring）催化劑。他們通過引入高密度的納米孿晶結晶，不單激活了催化劑，也使催化劑的表現更為穩定。這種新技術有效解決了催化系統中低維物料不穩定的問題，實現了高效且持久的氫氣生產。

圖靈圖案（Turing patterns）又被稱為時空靜止圖案，它普遍存在於生物和化學系統中，例如沙灘貝殻表面的有規律色彩圖案。圖靈圖案的形成機制，與被譽為現代電腦之父之一的英國著名數學家艾倫．圖靈（Alan Turing）提出的「反應—擴散」理論有關。在圖靈理論中，擴散系數較小的激活因子會誘導出局部優先生長，從而形成圖靈圖案。
 

「在以往的研究中，低維材料的製備主要著重於結構控制以實現功能目的，很少會考慮時空控制。」呂堅教授解釋了今次研究的背景，他續說︰「然而，納米材料中的圖靈圖案或許可以通過材料納米晶粒的各向異性生長來實現。這種晶格對稱性的破缺，對於特定結構的形成具有重要的晶體學意義，例子包括具有孿晶和內在對稱性破缺的二維（2D）材料。所以我們想探索圖靈理論在納米催化劑生長上的應用及其與結晶缺陷的關係。」

在今次研究中，研究團隊使用了「兩步法」製備了超薄的鉑鎳鈮（PtNiNb）納米片，其條狀拓撲結構與圖靈圖案類似。這些納米薄片上的圖靈結構，是通過納米晶粒的約束取向黏附而形成的，這產生了一個內在穩定的高密度納米孿晶網絡。這種網絡可充當結構穩定劑，防止自發的結構退化和應變弛豫。

此外，實驗中由圖靈圖案產生的晶格應變效應，降低了「水分解」的能壘，並優化了析氫反應（hydrogen evolution reaction）中的氫吸附自由能，從而增強了催化劑的活性，並提供了卓越的穩定性。由於納米尺度圖靈結構的表面呈現出大量的孿晶界面，這也使到它成為一種非常適合界面主導應用的材料，特別是電化學催化。

研究團隊透過一連串的實驗，亦證明了新研發的圖靈鉑鎳鈮（PtNiNb）納米催化劑，極具潛力成為一種擁有極佳效率及穩定性的析氫催化劑。與商用的20% Pt/C相比，圖靈鉑鎳鈮催化劑的質量活性和穩定性指數，分別提高了23.5倍及3.1倍。基於圖靈鉑鎳鈮的陰離子交換膜水電解槽在鉑（Pt）載量低至僅得0.05 mg cm⁻²的條件下，也顯示出極高的可靠性，在1000 mAcm⁻²的情況下運行500小時後，其催化性能基本上沒有衰減。

「我們的研究成果，為低維催化物料的活化與穩定提供了新的技術路徑和實現方案，為增強催化劑性能提供了一個全新的範例。」呂教授補充：「圖靈結構優化策略不僅回應了低維材料穩定性下降的問題，還可以作為一種適用於其他合金和催化系統的通用材料優化方法，終極地提高了催化性能。」

上述研究成果已於科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表，文章標題為 “Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction”。

論文的共同第一作者是城大的谷佳倫博士和李蘭西小姐，通訊作者是呂教授。其他來自城大的合作學者包括謝友能博士、陳博博士、王艷菊博士、鐘景先生和沈君達博士。

上述研究獲得城大、香港特別行政區優配研究金計劃和創新科技署、國家重點研發計劃及廣東省科學技術廳等的支持。