科学家研发图灵结构制氢催化剂，贵金属化学活性被提高1个数量级以上
“我们制备图灵纳米结构的工艺目前可以将铂族催化剂的价格降低1个数量级，即10倍。如果未来该工艺实现工业化，随着规模扩大，价格还会进一步下降。” 香港城市大学陆健院士表示。
近期，陆健团队开发了新型图灵结构催化剂（TNC）系列，包括基于铂镍铌的TNC[1]，以及适用于铂、铱、钌、银等贵金属的TNC[2]。
图灵结构是一种特殊的拓扑结构，研究人员通过结合高密度纳米孪晶来激活和稳定催化剂。 该技术有效解决了催化体系中低维纳米催化剂的不稳定问题，实现了高效、稳定、持久的制氢。
图丨从左至右：香港城市大学博士后顾嘉伦、陆健院士、博士生李兰溪（来源：团队）
绿色氢能是世界关注的重要方向之一。 目前，该领域面临着稳定性和效率问题。 需要了解的是，碱性电解槽的电流通常为3000-6000A/m2，输出功率需要达到30%以上才能相对稳定地产氢。
基于图灵铂镍铌（）的阴离子交换膜水电解槽在铂负载量仅为0.05mg/cm2的情况下表现出极高的可靠性。 在大电流密度/m2条件下可稳定运行500小时以上，催化性能基本不衰减。
美国和欧盟均明确提出，2030年绿氢产能预计将达到1000万吨/年。不可忽视的是，高昂的电力成本是绿氢生产的最大瓶颈之一。
为了实现绿色氢能的可持续经济发展，必须想办法降低制氢价格，比如充分利用风电、光伏等未联网电源来生产氢气。 廉价、高效、长寿命的全谱水电解催化剂已成为焦点。 一。
该研究支持贵金属图灵催化剂大规模低成本制氢、大电流、长期稳定制氢。 有望将传统铂/碳催化剂单位制氢催化剂价格降低1个数量级，并提出实现美国能源部111计划。 它朝着“2031年将氢气生产价格降低至1美元/公斤，生产绿色氢气”迈出了重要一步。
陆健表示：“我相信，未来所有铂族催化剂都可以利用图灵纳米结构方法发现新的催化剂，提高制氢和碳还原反应的效率，并大幅降低催化剂的价格。”
图灵的概念首次应用于催化领域
1952年，英国数学家阿兰·图灵首先提出“反应-扩散”理论。 他发现生物体的进化是一种特殊的拓扑结构——图灵结构（ ）。
这是一个迷宫般的网络结构，如贝壳表面的规则图案。 此前，图灵结构已广泛应用于生物和化学领域，但在本研究中，图灵结构的概念首次应用于催化领域。
从成分来看，本课题组制备的TNC是由铂、镍、铌的混合物组成。 事实上，这三种合金都可以单独充当催化剂。
催化剂本身作为单原子催化剂是最有效的，但它不能“锁定”在一起。 因此，单原子催化剂在大电流、长时间条件下不稳定，会导致寿命短的问题。
图| 图灵铂镍铌的结构和形貌特征（来源：）
当铂、镍、铌混合在一起时，原子通过“我在你，你在我”的图灵结构进行“锁定”，从而获得一系列优异的性能。
铂镍铌的原子结构中存在许多缺陷，而这些缺陷恰好是催化活性位点。 研究人员发现TNC可以稳定地存储高密度缺陷。 性能方面，与商用20%铂/碳催化剂相比，TNC的质量活性提高了23.5倍，稳定性提高了3.1倍。
论文共同第一作者、香港城市大学博士后顾嘉伦表示，这一工艺可以大规模生产。 在之前的研究中，这些高密度缺陷很难实现，而图灵结构产生的缺陷稳定且TNC极高。 催化活性和稳定性有利于降低制氢总体价格。
图丨高密度缺陷和晶格应变的图灵微结构（来源：）
研究人员最初的想法是将晶体和非晶材料混合在一起，以确定晶体的面积是否越小，它的反应性就越强。 随后，通过高分辨率电子显微镜和同步辐射鉴定，发现了这种特殊且稳定的图灵结构。
“一开始我们观察到了催化剂的稳定性能，但并没有从概念上认识到图灵结构，陆老师看到图像后推测了这种可能性，在比较类似的结构后，我们对图形的灵性结构进行了验证和分类。” 顾嘉伦说道。
此外，他们还对整个设备结构进行了深入探索。 实验室系统是溶液系统，但装置内的环境完全相反，所有组件紧密接触。
该论文的共同第一作者、香港城市大学博士生李兰熙表示：“我们进行了大量的探索和尝试，才找到了适合该材料进行测试的完美结构。”
值得注意的是，图灵结构是一种通用结构，可用于碱性电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽、阴离子交换膜（Anion，AEM）电解槽等装置。
图丨相关论文（来源：）
最后，相关论文在网上发表，标题为《图灵结构与多重纳米双设计高效稳定的析氢反应催化剂》（with to 和 for）[1]。
香港城市大学博士后研究员顾嘉伦和博士生李兰溪为共同第一作者，陆健教授为通讯作者。
“变废为宝”：将废弃电力转化为氢气，用于城市交通、燃料电池等领域
需要了解的是，制氢只是TNC的应用领域之一。 由于铂在许多化学反应中被用作催化剂，而本研究证明图灵催化剂的稳定性和化学活性远高于普通铂，因此TNC也可能影响更广泛的催化、化学反应等领域。
据介绍，课题组目前已与制氢催化剂、制氢设备等公司合作，推动TNC产业化进程。
图丨图灵铂镍铌()示意图及其相应的晶体学特征（来源：）
太阳能、风能中无法上网的电力称为限电。 随着全球太阳能和风能使用量的增加，每天都会有越来越多的电力被削减。 “制氢设备的最终用途是发电站，可以利用图灵催化剂将太阳能、风电的废电转化为氢气并储存起来。”陆健说。
而且，这种方法不会影响电站的整体运行。 顾嘉伦解释道：“比如，如果在风力发电厂中放置100台制氢设备，则可以在10台设备中放置图灵催化剂，尝试利用废电来生产氢气。由于发电厂是并联的，这一尝试不会影响电厂运营。”
此外，他们还将致力于不断提高废电回收效率，希望能取得一定的经济效益和规模，最终实现废电回收率达到50%以上。
据介绍，研究小组计划在一两年内将重要的相关产品推向市场。 目前，TNC的小规模试验年产量已达到10公斤。 “这种图灵催化剂的附加值非常高，很有可能在3到6个月内收回制氢设备的成本。” 陆健说道。
该催化剂适合小电流和大电流两个极端的采集和应用，适用范围包括北方的内蒙古、宁夏、新疆等地区和南方的广东地区。
陆健说：“我们的系统可以在非常低的电流或电压下反应产生氢气；并且在非常高的电流下，还可以大大提高电力转换效率。这将大大提高风电和太阳能的发电效率设备和生产的绿色氢气还可以用于城市交通、燃料电池等领域。”
展示图灵纳米结构催化剂制备方法的通用性
陆健是法国国家技术科学院院士、香港工程科学院院士、香港城市大学机械工程系讲座教授。 本课题组的研究方向包括纳米材料及先进材料的制备、力学性能、实验力学、材料表面工程等。
他说：“我们是催化领域的新人，所以我们看待问题的角度与传统催化领域不同。” 正因为如此，审稿人也对本研究的创新性给予了高度认可。
谈及瞄准制氢领域的原因，陆健表示，一方面，制氢对于小型实验室来说相对简单；另一方面，制氢技术相对简单。 另一方面，绿氢是能源领域增长最快的细分领域之一。 因此，制氢是首要目标，未来会慢慢探索和发展其他领域的应用。
接下来，团队计划开展一系列研究，重点关注以下三个方面：
首先，准备类似于图灵结构的新结构，以探索其在催化领域之外的力学、磁学、催化等其他方面的特殊性质。
其次，继续寻找催化领域的其他化学成分组合，以确认是否可以扩展相同的原理。 也就是说，探索从本研究中使用的其他金属合金制备图灵催化剂或三维多缺陷催化剂的可能性。
三是从工业化角度继续推进。 目前，图灵催化剂在实验室阶段已取得良好进展，但开发技术未来产业化将涉及材料寿命、工业制造、大规模制造等问题。