香港城市大学科学家开发新型铂镍铌纳米片，这一突破可促进可持续氢生产 香港城市大学的科学家们最近开发了一种新的策略，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。这一创新发现为提高绿色氢气生产的催化剂性能铺平了道路。有关该研究的报告发表在《自然通讯》杂志上。 氢能作为一种清洁和可持续的能源，已成为化石燃料的一种很有前途的替代品。然而，开发低成本、高效的析氢催化剂仍然是一个重要的挑战。 净零碳排放的水电解制氢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经成为氢能转化和利用的活性电催化剂，但由于这些材料的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。 为了解决这一问题，由城市大学工程学院院长兼国家贵金属材料工程研究中心香港分院主任陆建（音译）教授领导的研究小组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与低维材料相关的不稳定性问题，实现了高效、持久的制氢。 这些图案形成的机理与被认为是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，该理论认为扩散系数较小的活化剂会引起局部优先生长。 陆教授解释了这项研究的背景，“在以前的研究中，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，纳米材料中的图灵图案可以通过材料的纳米颗粒的各向异性生长来实现。这种破缺晶格对称性对特定构型的生长具有重要的晶体学意义，例如具有孪生和固有破缺对称性的二维(2D)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及其与晶体缺陷的关系。” 在这项研究中，该团队采用两步法制造了超薄的铂镍铌(PtNiNb)纳米片，其条带拓扑结构类似于图灵模式。 这些图灵结构是通过纳米颗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，作为结构稳定剂，防止了自发的结构退化和应变松弛。 此外，图灵图案产生的晶格张力效应降低了水解离的能垒，优化了析氢反应的氢吸附自由能，提高了催化剂的活性，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，也使其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。 在实验中，研究人员展示了新发明的图灵铂镍铌纳米催化剂作为一种稳定的、效率极高的析氢催化剂的潜力。 与20% Pt/C相比，它的质量活度和稳定性指数分别提高了23.5倍和3.1倍。图灵基于铂镍铌的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度催化材料的活化和稳定提供了有价值的见解。这为提高催化剂性能提供了一个新的范例。” 陆教授说， “图灵结构优化策略不仅解决了低维度材料稳定性退化的问题，而且可以作为一种适用于其他合金和催化体系的通用材料优化方法，最终提高催化性能。” #科技进展探讨# #绿氢# #电解水制氢#
