Konstruktionsstabile og effektive nanopladekatalysatorer med Turing-strukturer til brintproduktion

Turing-mønstre, kendt som spatiotemporale stationære mønstre, er almindeligt observeret i biologiske og kemiske systemer, såsom den regelmæssige overfladefarvning på muslingeskaller. Mekanismen for disse mønsterdannelser er relateret til reaktionsdiffusionsteorien foreslået af Alan Turing, en berømt engelsk matematiker, der betragtes som en af ​​fædre til moderne computere, hvor aktivatoren med en mindre diffusionskoefficient inducerer lokal præferencevækst.

"I tidligere forskning har fremstillingen af ​​lavdimensionelle materialer hovedsageligt fokuseret på strukturelle styringer til funktionelle formål, med få overvejelser om rumlige styringer," sagde professor Lu.

"Men Turing-mønstrene i nanomaterialer kan opnås ved den anisotropiske vækst af nanokorn af materialerne. En sådan brudt gittersymmetri har afgørende krystallografiske implikationer for væksten af ​​specifikke konfigurationer, såsom todimensionelle (2D) materialer med twinning og iboende brudte symmetri. Så vi ønskede at udforske anvendelsen af ​​Turing-teorien på nanokatalysatorvækst og forholdet til krystallografiske defekter."

I denne forskning brugte holdet to-trins tilgang til at skabe supertynde platin-nikkel-niobium (PtNiNb) nanoark med strimler, der topologisk ligner Turing-mønstre. Disse Turing-strukturer på nanoplader blev dannet gennem den begrænsede orienteringsfastgørelse af nanokorn, hvilket resulterede i et iboende stabilt nanotwin-netværk med høj tæthed, der fungerede som strukturelle stabilisatorer, der forhindrede spontan strukturel nedbrydning og belastningsafslapning.

Desuden genererede Turing-mønstrene gitterspændingseffekter, der reducerer energibarrieren for vanddissociation og optimerer den hydrogenadsorptionsfri energi til hydrogenudviklingsreaktion, hvilket øger katalysatorernes aktivitet og giver enestående stabilitet. Overfladen af ​​Turing-strukturen i nanoskala udviser et stort antal dobbelte grænseflader, hvilket også gør det til et usædvanligt velegnet materiale til grænsefladedominerede applikationer, især elektrokemisk katalyse.

I eksperimenterne demonstrerede forskerne potentialet af den nyligt opfundne Turing PtNiNb nanokatalysator som en stabil brintudviklingskatalysator med fremragende effektivitet. Det opnåede stigninger i masseaktivitet og stabilitetsindeks på henholdsvis 23,5 og 3,1 gange sammenlignet med kommerciel 20% Pt/C. Den Turing PtNiNb-baserede anionbyttermembran vandelektrolysator med en lav platin (Pt) massebelastning på 0,05 mg cm ⁻² var også ekstremt pålidelig, da den kunne opnå 500 timers stabilitet ved 1.000 mAcm ⁻² .

"Vores nøgleresultater giver værdifuld indsigt i aktivering og stabilisering af katalytiske materialer med lave dimensioner. Det præsenterer et nyt paradigme for at forbedre katalysatorens ydeevne," sagde professor Lu. "Turing-strukturoptimeringsstrategien adresserer ikke kun spørgsmålet om stabilitetsforringelse i lavdimensionelle materialer, men fungerer også som en alsidig materialeoptimeringstilgang, der kan anvendes til andre legerings- og katalytiske systemer, hvilket i sidste ende forbedrer den katalytiske ydeevne."

Flere oplysninger: Jialun Gu et al., Turing-strukturering med flere nanotwins for at konstruere effektive og stabile katalysatorer til hydrogenudviklingsreaktion, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af City University of Hong Kong