图丨具有高密度缺陷和晶格应变的图灵微观结构（来源：Nature Communications ）
研究人员最初的设想是将晶体和非晶混在一起，以确定是否晶体的区域越小，它的反应活性越高。随后，通过高分辨率电镜和经过同步辐射鉴定，发现了这种特殊的、稳定的图灵结构。
“最开始我们观察到催化剂稳定的性能，但并没有在概念上认识到图灵结构，吕老师看到图像后推测出这种可能性。我们经过同类结构对比后，验证了并归类了图灵结构。”谷佳伦说。
此外，他们对整个器件结构也进行了深入探索。实验室的体系是一个溶液体系，但是在器件里的环境截然相反，所有的部件都是紧密贴合的。
该论文共同第一作者、香港城市大学博士研究生李兰西说道：“我们进行了大量探索和尝试，才找到了非常完美的、适合材料的结构进行测试。”
值得关注的是，图灵结构是一种通用的结构，能够在碱性电解槽、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解槽和阴离子交换膜（Anion Exchange Membrane，AEM）电解槽等器件应用。
图丨相关论文（来源：Nature Communications ）
最终，相关论文以《图灵结构与多个纳米双设计高效和稳定的析氢反应催化剂》（Turing structuring with multiple nanotwins to engineer efficient and stable catalysts for hydrogen evolution reaction）为题发表在 Nature Communications 上 [1]。
香港城市大学博士后研究员谷佳伦和博士研究生李兰西为共同第一作者，吕坚教授担任通讯作者。
“变废为宝”：将弃电转变为氢气，应用在城市交通和燃料电池等领域
需要了解是，制氢只是 TNC 的应用领域之一。由于铂作为催化剂应用在很多化学反应中，而该研究中证明了图灵催化剂的稳定性和化学活性都大幅度高于普通的铂，因此 TNC 还可能影响更广泛的催化、化工反应等领域。
据介绍，目前该课题组已经与制氢催化剂、制氢设备等企业合作，来推进 TNC 的产业化进程。
图丨图灵铂镍铌（PtNiNb）及其对应的晶体学特征示意图（来源：Nature Communications ）
在太阳能和风能中不能联网的电，即为弃电。随着全球太阳能发电和风能发电使用的增加，每天的弃电量会越来越多。“制氢设备的终极使用电站可以利用图灵催化剂，将太阳能电和风电中的弃电转化为氢气储存起来。”吕坚说。
并且，该方法不会对电站的整体运营产生影响。谷佳伦解释说道：“例如在风电厂放 100 台制氢的设备，可以将图灵催化剂放在 10 台设备中去尝试用弃电制氢。由于电站是并联的，这种尝试并不会影响电站的运营。”
此外，他们也将致力于不断地提高弃电回收效率，希望可达到一定的经济效益和规模，最终实现弃电收回 50% 以上。
据介绍，该课题组计划在一两年之内，将在市场上推出重要的相关产品。目前，已在小试实验上实现 TNC 年产量达到 10 公斤级。“这种图灵催化剂的附加值非常高，极有可能在 3 至 6 个月内收回制氢设备的成本。”吕坚说道。
该催化剂适用于低电流和高电流两种极端电力的采集和应用，适用地区于包括北方的内蒙古、宁夏、新疆等地区以及南方的广东等。
吕坚表示：“我们的系统在很低的电流或电压下，可以发生反应从而产生氢气；而在很高的电流下，也能够大幅度地提高电力转换效率。这会大大提升风力发电和太阳能发电设备的效率，同时产生的绿色氢气还可以应用在城市交通、燃料电池等领域。”
