Структура и морфологическая характеристика Turing PtNiNb. ПЭМ-изображение отдельно стоящего Turing PtNiNb толщиной 6 нм при малом увеличении. На вставке — профиль высоты по краю Turing PtNiNb. б, в Изображения ПЭМ и HAADF-STEM высокого разрешения, показывающие структуры типа Тьюринга соответственно. Полосы Тьюринга состояли из нанозерен, которые встречались в бифуркациях Y-типа. г ПЭМ-изображение равномерно распределенных полос Тьюринга. На вставке показано распределение полос Тьюринга по размерам по диаметру составляющих нанозерен. e Шаблон SAED из c, обозначенный гранецентрированной кубической структурой. f Анализ линейного сканирования полосы Тьюринга STEM-EDS. На вставке показаны анализируемые полосы, а красная стрелка указывает направление сканирования линии. g Схематическая диаграмма типичной структуры Тьюринга. Изображение:
Природные коммуникации
(2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40972-w Принципиальная схема полученного по Тьюрингу PtNiNb и соответствующая кристаллографическая характеристика. Изображение:
Природные коммуникации
(2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40972-w
Водородная энергетика стала многообещающей альтернативой ископаемому топливу, предлагая чистый и устойчивый источник энергии. Однако разработка недорогих и эффективных катализаторов реакции выделения водорода остается сложной задачей.
Исследовательская группа под руководством ученых из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработала новую стратегию разработки стабильных и эффективных ультратонких нанолистовых катализаторов путем формирования структур Тьюринга с несколькими кристаллами-нанодвойниками. Это инновационное открытие открывает путь к повышению эффективности катализаторов для производства экологически чистого водорода.
Статья под названием «Структурирование Тьюринга с использованием нескольких нанодвойников для разработки эффективных и стабильных катализаторов реакции выделения водорода» опубликовано в Природные коммуникации.
Производство водорода посредством процесса электролиза воды с нулевыми выбросами углерода является одним из процессов производства чистого водорода. Хотя низкоразмерные наноматериалы с контролируемыми дефектами или модификациями деформации стали активными электрокатализаторами преобразования и использования энергии водорода, недостаточная стабильность этих материалов из-за спонтанной структурной деградации и релаксации деформации приводит к ухудшению их каталитических характеристик.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа под руководством профессора Лу Цзяня, декана инженерного колледжа CityU и директора гонконгского филиала Национального исследовательского центра по разработке материалов из драгоценных металлов, недавно разработала новаторскую стратегию структурирования Тьюринга, которая не только активирует, но и также стабилизирует катализаторы за счет введения кристаллов нанодвойников высокой плотности. Этот подход эффективно решает проблему нестабильности, связанную с низкоразмерными материалами в каталитических системах, обеспечивая эффективное и продолжительное производство водорода.
Паттерны Тьюринга, известные как пространственно-временные стационарные закономерности, широко наблюдаются в биологических и химических системах, например, в регулярной окраске поверхности морских ракушек. Механизм формирования этих паттернов связан с теорией реакции-диффузии, предложенной Аланом Тьюрингом, известным английским математиком, считающимся одним из отцов современных вычислений, в которой активатор с меньшим коэффициентом диффузии вызывает локальный преимущественный рост.
«В предыдущих исследованиях производство низкоразмерных материалов в основном было сосредоточено на структурном контроле для функциональных целей, с небольшим вниманием к пространственно-временному контролю», — сказал профессор Лу.
«Однако структуры Тьюринга в наноматериалах могут быть достигнуты за счет анизотропного роста нанозерен материалов. Такая нарушенная симметрия решетки имеет решающие кристаллографические последствия для роста определенных конфигураций, таких как двумерные (2D) материалы с двойникованием и собственными нарушенными структурами. Поэтому мы хотели изучить применение теории Тьюринга к росту нанокатализаторов и связи с кристаллографическими дефектами».
В этом исследовании команда использовала двухэтапный подход для создания сверхтонких нанолистов платина-никель-ниобий (PtNiNb) с полосами, топологически напоминающими узоры Тьюринга. Эти структуры Тьюринга на нанолистах были сформированы посредством ограниченного ориентационного прикрепления нанозерен, в результате чего образовалась внутренне стабильная сеть нанодвойников высокой плотности, которая действовала как структурные стабилизаторы и предотвращала спонтанную структурную деградацию и релаксацию деформации.
Более того, модели Тьюринга создают эффекты деформации решетки, которые уменьшают энергетический барьер диссоциации воды и оптимизируют свободную энергию адсорбции водорода для реакции выделения водорода, повышая активность катализаторов и обеспечивая исключительную стабильность. Поверхность наноразмерной структуры Тьюринга демонстрирует большое количество двойных интерфейсов, что также делает ее исключительно подходящим материалом для приложений с преобладанием интерфейсов, в частности для электрохимического катализа.
В ходе экспериментов исследователи продемонстрировали потенциал недавно изобретенного нанокатализатора Тьюринга PtNiNb в качестве стабильного катализатора выделения водорода с превосходной эффективностью. Достигнуто увеличение массовой активности и индекса стабильности в 23,5 и 3,1 раза соответственно по сравнению с коммерческим 20% Pt/C. Электролизер воды с анионообменной мембраной Turing на основе PtNiNb и низкой массовой загрузкой платины (Pt) 0,05 мг/см.−2 также был чрезвычайно надежным, поскольку мог достичь стабильности в течение 500 часов при токе 1000 мА·см.−2.
«Наши ключевые результаты дают ценную информацию об активации и стабилизации каталитических материалов малых размеров. Они представляют собой новую парадигму повышения производительности катализаторов», — сказал профессор Лу. «Стратегия оптимизации структуры Тьюринга не только решает проблему снижения стабильности низкоразмерных материалов, но также служит универсальным подходом к оптимизации материалов, применимым к другим легирующим и каталитическим системам, что в конечном итоге повышает каталитические характеристики».
Предоставлено Городским университетом Гонконга.