Nature子刊后仅5个月，吕坚院士团队JACS报道再次成功制备新图灵纳米催化剂

论文信息：

共同第一作者：谷佳伦，李兰西

通讯作者：吕坚 院士

通讯单位：香港城市大学

论文：https://doi.org/10.1021/jacs.3c12419

【导读】

氢气具有所有化学燃料中最高的重量能量密度（142 MJ kg^-1），因而绿氢产业在全球新能源技术变革中发挥着重要的作用。氢气可以通过可再生能源电解水实现近零碳排放的大规模制备。特别是随着我国风能与太阳能产能的跨越式发展，利用数以千亿度的弃电制氢，是一条全新的低成本制氢的技术路线。离子交换膜电解槽制氢具有设备结构紧凑、效率高、产氢量大等特点，其中电解水催化剂的效率及稳定性，是关系到制氢成本的核心因素。

【拟解决的核心问题】

铂族金属（PGMs）被广泛用作水分解中氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）催化剂。然而，铂族金属催化剂的大规模应用和相关能源技术的发展，如氢燃料电池，受到这些贵金属高成本和低资源储备的严重限制。提高PGM催化剂的质量活性并减少工程中的质量装载是目前的研究热点。在纳米催化剂中引入高密度孪晶是提高PGM催化剂质量活性的有效方法。通常，孪晶的形成与层错能高度相关。Au和Ag由于具有较低的层错能，可以通过液相合成或后处理方法引入高密度孪晶。相比之下，铂（Pt）和铱（Ir）的层错能比Au或Ag高约一个数量级，这使得Pt或Ir生成孪晶将消耗更多的能量。因此，通过常规的液相或动力学控制的合成过程在Pt/Ir纳米催化剂中引入高密度孪晶是一个巨大的挑战。

图灵结构催化剂（Turing Nanostructured Catalysis, TNC）：1952年，英国数学家Alan Turing首次提出“反应-扩散”理论对生物学花纹进行数学描述。此后图灵结构（Turing structure）成为生物、化学领域的一个重要分支。2023年9月，吕坚院士团队首次报道了超纳尺度（＜10nm）下的图灵结构金属薄膜，发现图灵结构的对称性破缺特性与纳米孪晶之间的关联（Nat. Commun. 14, 5389 (2023)）。在此研究的基础上，吕坚院士团队通过设计、调控合金中各元素在碱浸蚀过程中的扩散差异，制备了一类全新的网状图灵催化剂。图灵结构化的过程使Pt、Ir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Ag纳米催化剂相当。图灵构型具有大量的低配位原子和更大的活性面积。图灵Pt纳米催化剂表现出优异的HER催化活性和稳定性，其过电位仅为25.6 mV (10 mA·cm^-2处)，且质量活性增加了14.8倍。基于HER-OER双功能的图灵Ir合金纳米催化剂所组装的电解水槽，其质量活性达到了商业铱催化剂的23.0倍。理论计算表明孪晶特定的原子配位结构可以调整d带中心、优化电子结构并降低水分解的能垒。该工作进一步证明高效图灵结构纳米催化剂原理的普适性。

此工作以“Twinning engineering of platinum/iridium nanonets as Turing-type catalysts for efficient water splitting” 发表在The Journal of the American Chemical Society。吕坚院士为论文通讯作者（香港城市大学）。谷佳伦博士和李兰西博士生为论文共同第一作者。

【图文解读】

图1 (a) 图灵结构示意图；(b) 图灵结构的长度尺度；(c) 通过超薄金属薄膜的选择性刻蚀方法制备图灵催化剂的技术路线。

图2 (a) 图灵Pt纳米催化剂的TEM图；(b) 图灵Ir纳米催化剂的TEM图；(c) Pt纳米片的TEM图；(d) (e) 图灵Pt纳米催化剂中孪晶的HRTEM图；(f)(g) 纳米孪晶的傅里叶转变图；(h) 图灵Pt纳米催化剂和Pt纳米片的{111}面间距对比；(i) (j) 图灵Ir纳米催化剂中孪晶的HRTEM图；(k) 图灵Pt、Ir纳米催化剂中的孪晶密度。

图3 (a) 图灵Pt纳米催化剂XANES图；(b) 图灵Pt纳米催化剂的EXAFS图；(c) 图灵Ir纳米催化剂的EXAFS图；(d) 图灵Pt、Ir纳米催化剂的配位数信息；小波变换图 (e)Pt foil、(f)Pt纳米片、(g) 图灵Pt纳米催化剂。

图4 (a) 图灵Pt纳米催化剂在1 M KOH溶液中的LSV曲线；(b) 塔菲尔曲线和质量活性对比图；(c)CV循环前后的LSV曲线对比；(d)质量活性和过电势对比图；(e)基于图灵Pt纳米催化剂的阴离子交换膜电解水槽的LSV曲线；(f) 基于图灵Pt纳米催化剂的阴离子交换膜电解水槽的稳定性测试曲线。

图5 (a) 图灵Ir纳米催化剂在1 M KOH溶液中的析氢反应LSV曲线；(b)HER质量活性和OER质量活性；(c) 图灵Ir纳米催化剂在1 M KOH溶液中的析氧反应LSV曲线；(d)电化学双电层电容；(e) 图灵Ir纳米网作为HER和OER催化剂在CV循环前后的LSV曲线对比；(f) 基于双功能图灵Ir纳米催化剂的阴离子交换膜电解水槽的LSV曲线。

图6 (a)Pt/Ir (110)面的DFT计算模型；(b) Pt/Ir 孪晶的DFT计算模型；(c) Pt/Ir 孪晶的PDOS图；(d) 孪晶构型中不同原子阵列的d带中心；(e)水分解能垒对比；(f)水分子在Ir孪晶上分解过程的初始态、过渡态和最终态原子构型。

【作者介绍】

谷佳伦博士：2020年于清华大学获得博士学位，导师姚可夫教授。2019年加入香港城市大学，师从吕坚院士。致力于图灵结构材料、晶体-非晶双相合金以及非晶合金的结构与电催化性能研究与产业化应用。以第一作者身份在Chemical Reviews、Journal of the American Chemical Society、Nature Communications、Corrosion Science等期刊发表论文。

李兰西博士生：2020年于南方科技大学取得学士学位。2020年加入香港城市大学，师从吕坚院士。致力于图灵结构材料的电催化性能研究与产业化应用，纳米金属材料的合成与制备。以第一作者身份在Journal of the American Chemical Society、Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表论文。

吕坚院士（通讯作者）: 吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港高等研究院高级研究员、香港城市大学工学院院长、香港城市大学机械工程系讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分社理事、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、兼任香港理工大学工程学院副院长、香港城市大学副校长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人，并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家；欧盟第六框架科研计划咨询专家；中国国家自然科学基金委海外评审专家，中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得34项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Science、JACS、PRL、Angew、Chem. 等专业杂志上发表论文480余篇，引用3万6千余次（Google Scholar） 。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian