“我们制备图灵纳米结构的工艺目前可以让铂族催化剂的价格降低 1 个数量级，也就是降低 10 倍。未来该工艺如果走向产业化，价格将随着规模的扩大而进一步下降。”香港城市大学吕坚院士表示。

近期，吕坚团队开发了新家族图灵结构催化剂（Turing Nanostructured Catalysis, 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，研究人员通过结合高密度的纳米孪晶，实现激活并稳定催化剂的作用。该技术有效解决了催化系统中低维纳米催化剂不稳定的问题，并实现了高效、稳定且持久的氢气生产。

图丨从左至右依次为：香港城市大学博士后谷佳伦、吕坚院士、博士研究生李兰西（来源：该团队）

绿氢是全球都在关注的重要的方向之一，目前该领域面临稳定性和效率的问题。需要了解的是，碱性电解槽的电流通常在 3000-6000A/m2，并需要输出功率达到 30% 以上才能够比较稳定地生产氢气。

基于图灵铂镍铌（PtNiNb）的阴离子交换膜水电解槽在铂载量仅 0.05mg/cm2 的条件下，表现出极高的可靠性。在大电流密度 10000A/m2 的条件下能够稳定地运行 500 小时以上，并且它的催化性能基本未表现出衰减。

美国和欧盟明确提出，2030 年预计绿氢产能将达到 1000 万吨/年, 而不可忽视的是，高昂的电费成本是生产绿氢最大的瓶颈之一。

要想实现绿氢的可持续经济性发展，就要想办法降低制氢的价格，例如充分利用风电、光电等不能联网的电力产氢，全谱电解水的廉价、高效、长寿命催化剂成为焦点之一。

该研究支持大规模低价产氢，大电流、长时间稳定产氢的贵金属图灵催化剂，有望把传统的铂/炭催化剂单位制氢催化剂价格降低 1 个数量级，向实现美国能源部 111 计划提出的“在 2031 年将制氢价格降低到 1 美元/公斤制备绿氢”迈出重要的一步。

吕坚表示：“我相信，未来所有的铂族催化剂都可以用图灵纳米结构的方法来发现新催化剂，以提升制氢和减碳反应的效率和大幅降低催化剂价格。”

首次将图灵的概念应用在催化领域

1952 年，英国数学家艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）首次提出“反应-扩散”理论，他发现生物体的演变是一种特殊的拓扑结构——图灵结构（Turing structure）。

这是一种像迷宫一样的网状结构，例如贝壳表面有规律的图案。此前，图灵结构被广泛应用在生物和化学领域，而在该研究中，是图灵结构的概念首次被应用在催化领域。

从成分上来看，该课题组所制备的 TNC 由铂镍铌三种成分混合构成。实际上，这三种合金可以分别单独作为催化剂。

催化剂本身最有效的是单原子催化剂，但它不能被“锁”在一起。因此，在大电流和长时间的条件下单原子催化剂并不稳定，这会导致寿命短的问题。

图丨图灵铂镍铌（PtNiNb）的结构和形态特征（来源：Nature Communications ）

当混合铂镍铌后，通过“你中有我，我中有你”的图灵结构将原子“锁”起来，并实现了一系列卓越的性能。

铂镍铌原子结构中存在很多缺陷，而这些缺陷正好是催化活性位点。研究人员发现 TNC 可以稳定地储存高密度缺陷。在性能方面，相较于商用的 20% 铂/炭催化剂，TNC 的质量活性提升了 23.5 倍，其稳定性提升了 3.1 倍。

该论文共同第一作者、香港城市大学博士后研究员谷佳伦表示，该工艺能够大规模生产，在以往的研究中这些高密度缺陷很难做到，而图灵结构产生的缺陷具有稳定性，TNC 极高的催化活性和稳定性有利于降低制氢的整体价格。