Turingpatronen, bekend als spatiotemporele stationaire patronen, worden algemeen waargenomen in biologische en chemische systemen, zoals de regelmatige oppervlaktekleuring van schelpen. Het mechanisme van deze patroonformaties houdt verband met de reactie-diffusietheorie van Alan Turing, een beroemde Engelse wiskundige die wordt beschouwd als een van de grondleggers van het moderne computergebruik, waarin de activator met een kleinere diffusiecoëfficiënt lokale preferentiële groei induceert.

"In eerder onderzoek was de vervaardiging van laagdimensionale materialen vooral gericht op structurele controles voor functionele doeleinden, met weinig aandacht voor spatiotemporele controles", aldus professor Lu.

“De Turing-patronen in nanomaterialen kunnen echter worden bereikt door de anisotrope groei van nanokorrels van de materialen. Een dergelijke gebroken roostersymmetrie heeft cruciale kristallografische implicaties voor de groei van specifieke configuraties, zoals tweedimensionale (2D) materialen met twinning en intrinsiek gebroken symmetrie Daarom wilden we de toepassing van de Turing-theorie op de groei van nanokatalysatoren en de relaties met kristallografische defecten onderzoeken."

In dit onderzoek gebruikte het team een ​​tweestapsaanpak om superdunne platina-nikkel-niobium (PtNiNb) nanosheets te creëren met strips die topologisch op Turing-patronen lijken. Deze Turing-structuren op nanosheets werden gevormd door de beperkte oriëntatiehechting van nanokorrels, resulterend in een intrinsiek stabiel nanotwin-netwerk met hoge dichtheid dat fungeerde als structurele stabilisatoren die spontane structurele degradatie en spanningsrelaxatie voorkwamen.

Bovendien genereerden de Turing-patronen roosterspanningseffecten die de energiebarrière van waterdissociatie verminderen en de waterstofadsorptievrije energie voor waterstofevolutiereactie optimaliseren, waardoor de activiteit van de katalysatoren wordt verbeterd en uitzonderlijke stabiliteit wordt geboden. Het oppervlak van de Turing-structuur op nanoschaal vertoont een groot aantal dubbele interfaces, waardoor het een uitzonderlijk geschikt materiaal is voor interface-gedomineerde toepassingen, met name elektrochemische katalyse.

In de experimenten demonstreerden de onderzoekers het potentieel van de nieuw uitgevonden Turing PtNiNb-nanokatalysator als een stabiele waterstofevolutiekatalysator met uitstekende efficiëntie. Het bereikte een toename van de massaactiviteit en de stabiliteitsindex van respectievelijk 23,5 en 3,1 keer, vergeleken met commerciële 20% Pt/C. De op Turing PtNiNb gebaseerde waterelektrolysator met anionenuitwisselingsmembraan met een lage platina (Pt) massabelasting van 0,05 mg cm ⁻² was ook uiterst betrouwbaar, omdat het 500 uur stabiliteit kon bereiken bij 1.000 mAcm ⁻² .

"Onze belangrijkste bevindingen bieden waardevolle inzichten in de activering en stabilisatie van katalytische materialen met lage afmetingen. Het presenteert een nieuw paradigma voor het verbeteren van de katalysatorprestaties", aldus professor Lu. "De Turing-structuuroptimalisatiestrategie richt zich niet alleen op het probleem van stabiliteitsverslechtering in laagdimensionale materialen, maar dient ook als een veelzijdige materiaaloptimalisatiebenadering die toepasbaar is op andere legerings- en katalytische systemen, waardoor uiteindelijk de katalytische prestaties worden verbeterd."

Meer informatie: Jialun Gu et al, Turing structureert met meerdere nanotweelingen om efficiënte en stabiele katalysatoren te ontwikkelen voor waterstofevolutiereacties, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de stadsuniversiteit van Hong Kong