图灵纳米结构催化剂：降低铂族催化剂价格，实现高效稳定氢气生产

图灵纳米结构催化剂：降低铂族催化剂价格，实现高效稳定氢气生产

“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一个数量级，也就是10倍。如果未来这一工艺实现产业化，随着规模扩大，价格还会进一步下降。”香港城市大学吕健院士说。

近期，吕建团队开发出一类新型图灵结构催化剂（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，研究人员通过高密度纳米孪生组合的方式，对催化剂进行了活化和稳定处理，该技术有效解决了催化体系中低维纳米催化剂不稳定性的问题，实现了高效、稳定、长效的制氢。

图丨从左至右：香港城市大学博士后顾嘉伦、陆建院士、博士生李兰溪（图片来源：团队）

绿色氢能是全球关注的重要方向之一，目前该领域面临稳定性、效率等问题，要了解碱性电解槽电流一般在3000-6000A/m2，输出功率需要达到30%以上才能比较稳定地产氢。

基于图灵铂镍铌（PtNb）的阴离子交换膜水电解器在Pt负载量仅为0.05mg/cm2的情况下，就表现出极高的可靠性，可稳定运行500小时，催化性能衰减甚微。

美国、欧盟均明确提出，预计2030年绿氢产能将达到1000万吨/年。但不可忽视的是，高昂的电力成本是绿氢生产的最大瓶颈之一。

实现绿色氢能经济可持续发展，需寻找降低氢气生产价格的途径，如充分利用风电、光伏电等非并网电力生产氢气，而廉价、高效、长寿命的全谱水电解催化剂成为关注重点之一。

此项研究支持大规模低成本制氢，大电流、长期稳定制氢的贵金属图灵催化剂有望将传统铂/碳催化剂的单位制氢催化剂价格降低一个数量级，提出了实现美国能源部111计划的目标。这是向“2031年绿色制氢将制氢价格降至1美元/公斤”目标迈出的重要一步。

吕建表示：“相信未来所有铂族催化剂都可以利用图灵纳米结构的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。”

图灵概念在催化领域的首次应用

1952年，英国数学家阿兰·图灵首次提出了“反应—扩散”理论，他发现生物的演化是一种特殊的拓扑结构——图灵结构（）。

这是一种类似迷宫的网络结构，像贝壳表面的规则图案。此前，图灵结构在生物、化学等领域有着广泛的应用，但本次研究是首次将图灵结构的概念运用到催化领域。

从成分上看，研究团队制备的TNC是由铂、镍、铌三种成分的混合物构成，实际上这三种合金可以单独作为催化剂使用。

目前最有效的催化剂本身是单原子催化剂，但由于单原子催化剂之间无法“锁定”在一起，因此在大电流和长期条件下，单原子催化剂并不稳定，导致其寿命短的问题。

图丨图灵铂镍铌的结构与形貌特征（）（图片来源：）

当铂、镍、铌混合在一起时，原子之间通过“你中有我，我中有你”的图灵结构进行“锁定”，获得了一系列优异的性能。

铂、镍、铌的原子结构中存在较多缺陷，而这些缺陷恰好是催化活性位点，研究人员发现TNC可以稳定地储存高密度缺陷，性能方面，与商用的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，该工艺可实现量产，在以往的研究中，这些高密度缺陷很难实现，而图灵结构产生的缺陷稳定，具有极高的TNC催化活性和稳定性，有利于降低氢气生产的整体价格。

图丨具有高密度缺陷和晶格应变的图灵微结构（来源：）

研究人员最初想到将晶体与非晶态材料混合，以确定晶体面积越小，其反应性是否越高。随后，他们利用高分辨率电子显微镜和同步辐射技术，确认了这种特殊的稳定图灵结构。

“最初我们观察到催化剂的稳定性能，但并没有在概念上认识到图灵结构。卢教授看到图像后猜测了这种可能，经过同类结构对比，我们验证并将图像归类为图灵结构。”顾嘉伦说。

此外，他们还对整个装置结构进行了深入探索，实验室里的体系是一个溶液体系，但装置里的环境完全不同，所有部件都是紧密贴合的。

香港城市大学博士生、论文共同第一作者李兰溪表示：“我们经过了大量的探索和实验，才找到测试这种材料的完美结构。”

值得注意的是，图灵结构是一种通用结构，可以用于碱性电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽和阴离子交换膜（Anion，AEM）电解槽等装置。

图丨相关论文（来源：）

最终，相关论文以“ and nano-dual for and ”（含to和for）为题发表在该期刊上[1]。

香港城市大学博士后顾嘉伦和博士生李兰曦为共同第一作者，吕建教授为通讯作者。

“变废为宝”：将废电转化为氢气，用于城市交通和燃料电池

需要了解的是，制氢只是TNC的应用领域之一，由于铂在很多化学反应中被用作催化剂，而这项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还可能影响催化、化学反应等更为广泛的领域。

据悉，目前研究团队已与制氢催化剂、设备等企业开展合作，推进TNC的产业化进程。

图丨图灵铂镍铌示意图（）及其对应的晶体学特征（来源：）

“太阳能、风电里不能并网的电就被废弃了。随着全球太阳能、风电发电使用量的增加，废弃的电能也会每天都在增加。如何将太阳能、风电废弃的电能转化为氢气并储存起来呢？”吕建说。

而且，这种方法不会影响电厂整体的运行。顾嘉伦解释道：“比如说，一个风力发电厂有100个制氢装置，可以在其中10个装置中放置图灵催化剂，尝试利用废弃的电力来生产氢气。由于这些装置是并联的，所以这种尝试不会影响电厂的运行。”

此外，他们还将努力不断提高废旧电力回收的效率，希望达到一定的经济效益和规模，最终实现废旧电力回收率达到50%以上。

据介绍，研究团队计划在一两年内将重要相关产品推向市场，目前小规模实验中TNC年产量已达10公斤，“成本非常高，很有可能在3至6个月内收回制氢设备成本。”吕建说。

该催化剂适用于小电流和大电流极端电能的收集和应用，适用于北部的内蒙古、宁夏、新疆，南部的广东等地区。

吕建表示：“我们的系统在很低的电流或电压下就能反应产生氢气；而在很高的电流下，也能大大提高电能转换效率。这将大大提高风电、太阳能发电设备的效率，同时产生的绿色氢气还可以用于城市交通、燃料电池等领域。”

论证了制备图灵结构纳米催化剂方法的普遍性

吕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教授。该课题组的研究兴趣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手，看问题的角度和传统催化不一样。”正因如此，审稿专家也高度认可了该研究的创新性。

当被问及瞄准制氢领域的原因时，吕建表示，一方面制氢对于小型实验室来说比较简单；另一方面，绿氢是能源领域增长最快的细分领域之一，氢能是第一个目标，之后我们会慢慢探索、开发其他领域的应用。

接下来该团队计划开展一系列研究，重点关注以下三个方面：

首先，制备类似于图灵结构的新结构，探索其在催化领域以外的其他方面的特殊性质，如力学、磁性、催化等。

第二，我们将继续寻找催化领域的其他化学成分组合，以确认是否能利用相同的原理来扩大研究。换句话说，我们将探索使用除本研究中使用的金属合金以外的其他金属合金来制备图灵催化剂或三维多缺陷催化剂的可能性。

第三，从产业化角度继续推进。目前图灵催化剂在实验室阶段取得了良好的进展，但未来技术产业化发展将涉及材料生命、工业制造、大规模制造等问题。