科学家研发图灵结构制氢催化剂，解决催化系统低维材料不稳定难题

“我们制备图灵纳米结构的工艺目前可以让铂族催化剂的价格降低 1 个数量级，也就是降低 10 倍。未来该工艺如果走向产业化，价格将随着规模的扩大而进一步下降。”香港城市大学吕坚院士表示。

近期，吕坚团队开发了新家族图灵结构催化剂（Turing Nanostructured Catalysis, TNC），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的纳米孪晶，实现激活并稳定催化剂的作用。该技术有效解决了催化系统中低维纳米催化剂不稳定的问题，并实现了高效、稳定且持久的氢气生产。

图丨从左至右依次为：香港城市大学博士后谷佳伦、吕坚院士、博士研究生李兰西（来源：该团队）

绿氢是全球都在关注的重要的方向之一，目前该领域面临稳定性和效率的问题。需要了解的是，碱性电解槽的电流通常在 3000-6000A/m2，并需要输出功率达到 30% 以上才能够比较稳定地生产氢气。

基于图灵铂镍铌（PtNiNb）的阴离子交换膜水电解槽在铂载量仅 0.05mg/cm2 的条件下，表现出极高的可靠性。在大电流密度 10000A/m2 的条件下能够稳定地运行 500 小时以上，并且它的催化性能基本未表现出衰减。

美国和欧盟明确提出，2030 年预计绿氢产能将达到 1000 万吨/年, 而不可忽视的是，高昂的电费成本是生产绿氢最大的瓶颈之一。

要想实现绿氢的可持续经济性发展，就要想办法降低制氢的价格，例如充分利用风电、光电等不能联网的电力产氢，全谱电解水的廉价、高效、长寿命催化剂成为焦点之一。

该研究支持大规模低价产氢，大电流、长时间稳定产氢的贵金属图灵催化剂，有望把传统的铂/炭催化剂单位制氢催化剂价格降低 1 个数量级，向实现美国能源部 111 计划提出的“在 2031 年将制氢价格降低到 1 美元/公斤制备绿氢”迈出重要的一步。

吕坚表示：“我相信，未来所有的铂族催化剂都可以用图灵纳米结构的方法来发现新催化剂，以提升制氢和减碳反应的效率和大幅降低催化剂价格。”

首次将图灵的概念应用在催化领域

1952 年，英国数学家艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）首次提出“反应-扩散”理论，他发现生物体的演变是一种特殊的拓扑结构——图灵结构（Turing structure）。

这是一种像迷宫一样的网状结构，例如贝壳表面有规律的图案。此前，图灵结构被广泛应用在生物和化学领域，而在该研究中，是图灵结构的概念首次被应用在催化领域。

从成分上来看，该课题组所制备的 TNC 由铂镍铌三种成分混合构成。实际上，这三种合金可以分别单独作为催化剂。

催化剂本身最有效的是单原子催化剂，但它不能被“锁”在一起。因此，在大电流和长时间的条件下单原子催化剂并不稳定，这会导致寿命短的问题。

图丨图灵铂镍铌（PtNiNb）的结构和形态特征（来源：Nature Communications ）

当混合铂镍铌后，通过“你中有我，我中有你”的图灵结构将原子“锁”起来，并实现了一系列卓越的性能。

铂镍铌原子结构中存在很多缺陷，而这些缺陷正好是催化活性位点。研究人员发现 TNC 可以稳定地储存高密度缺陷。在性能方面，相较于商用的 20% 铂/炭催化剂，TNC 的质量活性提升了 23.5 倍，其稳定性提升了 3.1 倍。

该论文共同第一作者、香港城市大学博士后研究员谷佳伦表示，该工艺能够大规模生产，在以往的研究中这些高密度缺陷很难做到，而图灵结构产生的缺陷具有稳定性，TNC 极高的催化活性和稳定性有利于降低制氢的整体价格。

图丨具有高密度缺陷和晶格应变的图灵微观结构（来源：Nature Communications ）

研究人员最初的设想是将晶体和非晶混在一起，以确定是否晶体的区域越小，它的反应活性越高。随后，通过高分辨率电镜和经过同步辐射鉴定，发现了这种特殊的、稳定的图灵结构。

“最开始我们观察到催化剂稳定的性能，但并没有在概念上认识到图灵结构，吕老师看到图像后推测出这种可能性。我们经过同类结构对比后，验证了并归类了图灵结构。”谷佳伦说。

此外，他们对整个器件结构也进行了深入探索。实验室的体系是一个溶液体系，但是在器件里的环境截然相反，所有的部件都是紧密贴合的。

该论文共同第一作者、香港城市大学博士研究生李兰西说道：“我们进行了大量探索和尝试，才找到了非常完美的、适合材料的结构进行测试。”

值得关注的是，图灵结构是一种通用的结构，能够在碱性电解槽、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解槽和阴离子交换膜（Anion Exchange Membrane，AEM）电解槽等器件应用。

图丨相关论文（来源：Nature Communications ）

最终，相关论文以《图灵结构与多个纳米双设计高效和稳定的析氢反应催化剂》（Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction）为题发表在 Nature Communications 上 [1]。

香港城市大学博士后研究员谷佳伦和博士研究生李兰西为共同第一作者，吕坚教授担任通讯作者。

“变废为宝”：将弃电转变为氢气，应用在城市交通和燃料电池等领域

需要了解是，制氢只是 TNC 的应用领域之一。由于铂作为催化剂应用在很多化学反应中，而该研究中证明了图灵催化剂的稳定性和化学活性都大幅度高于普通的铂，因此 TNC 还可能影响更广泛的催化、化工反应等领域。

据介绍，目前该课题组已经与制氢催化剂、制氢设备等企业合作，来推进 TNC 的产业化进程。

图丨图灵铂镍铌（PtNiNb）及其对应的晶体学特征示意图（来源：Nature Communications ）

在太阳能和风能中不能联网的电，即为弃电。随着全球太阳能发电和风能发电使用的增加，每天的弃电量会越来越多。“制氢设备的终极使用电站可以利用图灵催化剂，将太阳能电和风电中的弃电转化为氢气储存起来。”吕坚说。

并且，该方法不会对电站的整体运营产生影响。谷佳伦解释说道：“例如在风电厂放 100 台制氢的设备，可以将图灵催化剂放在 10 台设备中去尝试用弃电制氢。由于电站是并联的，这种尝试并不会影响电站的运营。”

此外，他们也将致力于不断地提高弃电回收效率，希望可达到一定的经济效益和规模，最终实现弃电收回 50% 以上。

据介绍，该课题组计划在一两年之内，将在市场上推出重要的相关产品。目前，已在小试实验上实现 TNC 年产量达到 10 公斤级。“这种图灵催化剂的附加值非常高，极有可能在 3 至 6 个月内收回制氢设备的成本。”吕坚说道。

该催化剂适用于低电流和高电流两种极端电力的采集和应用，适用地区于包括北方的内蒙古、宁夏、新疆等地区以及南方的广东等。

吕坚表示：“我们的系统在很低的电流或电压下，可以发生反应从而产生氢气；而在很高的电流下，也能够大幅度地提高电力转换效率。这会大大提升风力发电和太阳能发电设备的效率，同时产生的绿色氢气还可以应用在城市交通、燃料电池等领域。”

证明制备图灵纳米结构催化剂方法的广义性

吕坚是法国国家技术科学院院士，中国香港工程科学院院士，香港城市大学机械工程学讲座教授。该课题组的研究方向包括纳米材料与先进材料的制备、力学性能、实验力学、材料表面工程等。

他表示：“我们是催化领域的新兵，因此看问题的角度和传统催化领域不太一样。”正因为这样，审稿人也对该研究的创新性高度认可。

谈及瞄准制氢领域的原因，吕坚表示，一方面，制氢对小型实验室来说相对简单；另一方面，绿氢是能源领域中发展最快的细分方向之一。因此以制氢为首个目标，后续再慢慢探索和发展其他领域的应用。

下一步，该团队计划进行一系列研究，重点在以下三方面继续探索：

第一，制备类似于图灵结构的新型结构，以探索它们在催化领域以外的力学、磁性和催化等其他方面的特殊性能。

第二，在催化领域继续寻找其他的化学成分组合，以确认是否能够以同样的原理进行拓展。也就是说，探索该研究所用之外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。

第三，从产业化的角度继续推进。目前，图灵催化剂在实验室阶段取得了不错的进展，但未来发展技术产业化将涉及材料的寿命问题、工业制造问题、大规模制造问题等。

图丨全新网状图灵催化剂效果图（来源：该团队）

近期，在上述研究的基础上，该团队在 Journal of the American Chemical Society 报道了一种基于铂、铱的图灵纳米催化剂[2]。他们演示了双功能纳米催化剂的设计原理，具有增强的高质量活性的析氢反应和析氧反应。

图灵结构化的过程分别使铂、铱纳米网中的纳米孪晶密度增加了 14.3 倍和 18.9 倍，孪晶密度与具有高孪晶密度的银纳米催化剂相当。而基于图灵铱合金纳米催化剂所组装的电解水槽，质量活性是商业铱催化剂的 23 倍。

该研究证明了人工制备图灵纳米结构催化剂方法的广义性，也为所有金属合金制备催化活性超高的图灵结构催化剂奠定了基础。

图丨相关论文（来源：Journal of the American Chemical Society ）

吕坚表示：“ 我们计划把图灵催化剂用在实体的氢工程中，也希望与全球范围内研究金属材料缺陷、催化剂和纳米晶非晶体材料领域的科学家们，共同推进图灵催化剂的发展。”

参考资料：

1.Gu, J., Li, L. et al. Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction. Nature Communications 14, 5389 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40972-w

2.Gu, J., Li, L. et al. Twinning engineering of platinum/iridium nanonets as Turing-type catalysts for efficient water splitting. The Journal of the American Chemical Society (2024). https://doi.org/10.1021/jacs.3c12419