Vätgasenergi har dykt upp som ett lovande alternativ till fossila bränslen och erbjuder en ren och hållbar energikälla. Men utvecklingen av billiga och effektiva katalysatorer för väteutvecklingsreaktioner är fortfarande en utmaning.
En forskargrupp ledd av forskare från City University of Hong Kong (CityU) har nyligen utvecklat en ny strategi för att konstruera stabila och effektiva ultratunna nanosheet-katalysatorer genom att forma Turing-strukturer med flera nanotwin-kristaller. Denna innovativa upptäckt banar väg för förbättrad katalysatorprestanda för produktion av grönt väte.
Artikeln, med titeln "Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stabil catalysts for hydrogen evolution reaction" är publicerad i Nature Communications .
Att producera väte genom vattenelektrolysprocess med netto-noll koldioxidutsläpp är en av de rena väteproduktionsprocesserna. Medan lågdimensionella nanomaterial med kontrollerbara defekter eller töjningsmodifieringar har dykt upp som aktiva elektrokatalysatorer för omvandling och användning av väteenergi, leder den otillräckliga stabiliteten i dessa material på grund av spontan strukturell nedbrytning och spänningsavslappning till deras katalytiska prestandaförsämring.
För att ta itu med denna fråga har en forskargrupp ledd av professor Lu Jian, dekanus för College of Engineering vid CityU och chef för Hong Kong Branch of National Precious Metal Material Engineering Research Center, nyligen utvecklat en banbrytande Turing-struktureringsstrategi som inte bara aktiverar men stabiliserar också katalysatorer genom införandet av nanotwin-kristaller med hög densitet. Detta tillvägagångssätt löser effektivt instabilitetsproblemet i samband med lågdimensionella material i katalytiska system, vilket möjliggör effektiv och långvarig väteproduktion.
Turingmönster, kända som spatiotemporala stationära mönster, observeras allmänt i biologiska och kemiska system, såsom den vanliga ytfärgningen på snäckskal. Mekanismen för dessa mönsterbildningar är relaterad till reaktions-diffusionsteorin som föreslagits av Alan Turing, en berömd engelsk matematiker som anses vara en av modern dators fäder, där aktivatorn med en mindre diffusionskoefficient inducerar lokal preferenstillväxt.
"I tidigare forskning har tillverkningen av lågdimensionella material huvudsakligen fokuserat på strukturella kontroller för funktionella syften, med få överväganden om spatiotemporala kontroller", säger professor Lu.
"Men Turing-mönstren i nanomaterial kan uppnås genom den anisotropiska tillväxten av nanokorn av materialen. Sådan trasig gittersymmetri har avgörande kristallografiska implikationer för tillväxten av specifika konfigurationer, såsom tvådimensionella (2D) material med tvilling och inre brutna symmetri. Så vi ville utforska tillämpningen av Turing-teorin på nanokatalysatortillväxt och sambanden med kristallografiska defekter."
I denna forskning använde teamet tvåstegsmetod för att skapa supertunna platina-nickel-niob (PtNiNb) nanoark med remsor som topologiskt liknar Turing-mönster. Dessa Turing-strukturer på nanoark bildades genom den begränsade orienteringsfästning av nanokorn, vilket resulterade i ett i sig stabilt nanotwin-nätverk med hög densitet som fungerade som strukturella stabilisatorer som förhindrade spontan strukturell nedbrytning och spänningsavslappning.
Dessutom genererade Turing-mönstren gitterspänningseffekter som minskar energibarriären för vattendissociation och optimerar den väteadsorptionsfria energin för väteutvecklingsreaktion, vilket förbättrar aktiviteten hos katalysatorerna och ger exceptionell stabilitet. Ytan på den nanoskaliga Turing-strukturen uppvisar ett stort antal dubbla gränssnitt, vilket också gör det till ett exceptionellt väl lämpat material för gränssnittsdominerade tillämpningar, särskilt elektrokemisk katalys.
I experimenten visade forskarna potentialen hos den nyligen uppfunna Turing PtNiNb nanokatalysatorn som en stabil väteutvecklingskatalysator med enastående effektivitet. Den uppnådde ökningar i massaktivitet och stabilitetsindex på 23,5 respektive 3,1 gånger, jämfört med kommersiella 20 % Pt/C. Den Turing PtNiNb-baserade anjonbytesmembran-vattenelektrolysatorn med en låg platina (Pt) massbelastning på 0,05 mg cm −2 var också extremt pålitlig, eftersom den kunde uppnå 500 timmars stabilitet vid 1 000 mAcm −2 .
"Våra nyckelresultat ger värdefulla insikter om aktivering och stabilisering av katalytiska material med låga dimensioner. Det presenterar ett nytt paradigm för att förbättra katalysatorprestanda", säger professor Lu. "Turings strukturoptimeringsstrategi tar inte bara upp frågan om stabilitetsförsämring i lågdimensionella material utan fungerar också som en mångsidig materialoptimeringsmetod som kan tillämpas på andra legerings- och katalytiska system, vilket i slutändan förbättrar den katalytiska prestandan."
Mer information: Jialun Gu et al, Turing-strukturering med flera nanotwins för att konstruera effektiva och stabila katalysatorer för väteutvecklingsreaktion, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
