氫能源被視為有望能取代傳統(tǒng)化石燃料，成為一種環(huán)保并可持續(xù)的潔凈新能源。然而，若要使氫能普及應(yīng)用，其中一個棘手的挑戰(zhàn)在于如何能研發(fā)出低成本而又高效能的催化劑以加速氫氣生產(chǎn)。由香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，最近開發(fā)了一種創(chuàng)新的策略，它透過制備多重納米孿晶（nanotwins）并形成圖靈結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計出穩(wěn)定且高效的超薄納米片催化劑。這一創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)，為提高綠色制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(shù)生產(chǎn)氫氣，以實(shí)現(xiàn)零碳排放，被視為其中一種最清潔及環(huán)保的氫氣生產(chǎn)方法。盡管具有可控缺陷或“應(yīng)變修飾”的低維納米材料（low-dimensional nanomaterials），早已成為氫能轉(zhuǎn)換及應(yīng)用的活性電催化劑，但鑒于上述材料會出現(xiàn)自發(fā)的結(jié)構(gòu)退化和應(yīng)變弛豫，導(dǎo)致它的穩(wěn)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(xué)院院長兼國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心主任呂堅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，最近另辟蹊徑，開發(fā)出一種創(chuàng)新及革命性的“圖靈結(jié)構(gòu)”（Turing structuring）催化劑。他們通過引入高密度的納米孿晶結(jié)晶，不單激活了催化劑，也使催化劑的表現(xiàn)更為穩(wěn)定。這種新技術(shù)有效解決了催化系統(tǒng)中低維物料不穩(wěn)定的問題，實(shí)現(xiàn)了高效且持久的氫氣生產(chǎn)。

圖靈圖案（Turing patterns）又被稱為時空靜止圖案，它普遍存在于生物和化學(xué)系統(tǒng)中，例如沙灘貝殼表面的有規(guī)律色彩圖案。圖靈圖案的形成機(jī)制，與被譽(yù)為現(xiàn)代電腦之父之一的英國著名數(shù)學(xué)家艾倫．圖靈（Alan Turing）提出的“反應(yīng)—擴(kuò)散”理論有關(guān)。在圖靈理論中，擴(kuò)散系數(shù)較小的激活因子會誘導(dǎo)出局部優(yōu)先生長，從而形成圖靈圖案。

“在以往的研究中，低維材料的制備主要著重于結(jié)構(gòu)控制以實(shí)現(xiàn)功能目的，很少會考慮時空控制。”呂堅教授解釋了本次研究的背景，他續(xù)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(shí)現(xiàn)。這種晶格對稱性的破缺，對于特定結(jié)構(gòu)的形成具有重要的晶體學(xué)意義，例子包括具有孿晶和內(nèi)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(yīng)用及其與結(jié)晶缺陷的關(guān)系。”

在這次研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用了“兩步法”制備了超薄的鉑鎳鈮（PtNiNb）納米片，其條狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖靈圖案類似。這些納米薄片上的圖靈結(jié)構(gòu)，是通過納米晶粒的約束取向黏附而形成的，這產(chǎn)生了一個內(nèi)在穩(wěn)定的高密度納米孿晶網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)可充當(dāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑，防止自發(fā)的結(jié)構(gòu)退化和應(yīng)變弛豫。

此外，實(shí)驗(yàn)中由圖靈圖案產(chǎn)生的晶格應(yīng)變效應(yīng)，降低了“水分解”的能壘，并優(yōu)化了析氫反應(yīng)（hydrogen evolution reaction）中的氫吸附自由能，從而增強(qiáng)了催化劑的活性，并提供了卓越的穩(wěn)定性。由于納米尺度圖靈結(jié)構(gòu)的表面呈現(xiàn)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(dǎo)應(yīng)用的材料，特別是電化學(xué)催化。

研究團(tuán)隊(duì)透過一連串的實(shí)驗(yàn)，亦證明了新研發(fā)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(wěn)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(zhì)量活性和穩(wěn)定性指數(shù)，分別提高了23.5倍及3.1倍。基于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(yùn)行500小時后，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(wěn)定提供了新的技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)方案，為增強(qiáng)催化劑性能提供了一個全新的范例。”呂教授補(bǔ)充：“圖靈結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略不僅回應(yīng)了低維材料穩(wěn)定性下降的問題，還可以作為一種適用于其他合金和催化系統(tǒng)的通用材料優(yōu)化方法，終極地提高了催化性能。”

上述研究成果已于科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，文章標(biāo)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。其他來自香港城大的合作學(xué)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(dá)博士。

上述研究獲得香港城大、香港特別行政區(qū)優(yōu)配研究金計劃和創(chuàng)新科技署、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃及廣東省科學(xué)技術(shù)廳等的支持。