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科研进展

2021年02月23日
中国科大成功构筑无机“图灵结构”催化界面

1952年,计算机科学与人工智能之父图灵提出:某些重复的自然图案可能是由两种特定物质(分子、细胞等)通过“反应-扩散”的过程相互作用产生。在该系统中,一种物质促进反应的发生(激活剂),另一种物质抑制反应的进行(抑制剂),两者相遇后反应扩散。在均相体系中一般不会产生图案,但当两者的扩散系数差异达到一定程度时,激活剂和抑制剂这两种物质之间的高扩散比会导致系统失稳,诱导周期性复杂图案的形成。

“图灵结构”在自然界中广泛存在。例如:斑马、海鱼、河豚、贝壳体表的图纹、风中黄沙波纹、蕨类植物叶片、向日葵叶序和小鼠的毛囊间距乃至毛发的密度等均为“反应-扩散”的结果(1)。然而,在化学体系中构建图灵结构难度很大,这主要是因为在大部分化学系统中,物质的扩散系数差异性小,不满足图灵结构形成的要求,即激活剂的扩散速度要比抑制剂小许多。直到上世纪90年代,法国科学家才基于“反应-扩散”机理在“亚氯酸盐—碘—丙二酸反应”中构建出图灵图案。

1.自然界中各种图灵图案:(a)河豚,(b)斑马,(c)贝壳。

图片来自网络。

近日,中国科学技术大学高敏锐教授研究组利用“反应-扩散”的机制,首次实现了在无机过渡金属硫族化合物上图灵结构的构筑。在二乙烯三胺(DETA)与水的二元溶液中,Ag+会和DETA发生络合反应形成Ag(DETA)+,其扩散系数为3.518×10-6cm2s-1。同时,Co2+从二硒化钴(CoSe2)纳米带表面溢出,其扩散系数为2.317×10-7cm2s-1。因此,在该系统中,Ag(DETA)+是抑制剂而Co2+是激活剂。快速扩散的Ag(DETA)+到达CoSe2表面的能斯特层(Nernst layer)时,与扩散到CoSe2表面的激活剂Co2+发生作用,最终在CoSe2表面形成复杂美丽的Ag2Se图灵图案(2)。相关研究成果以“An Efficient Turing-Type Ag2Se-CoSe2Multi-Interfacial Oxygen-Evolving Electrocatalyst”为题发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60,doi.org/10.1002/anie.202017016),并被选为Hot PaperBack Cover3)。论文的共同第一作者为中科大博士研究生张晓隆和杨朋朋。

2.“反应-扩散”过程驱动复杂无机“图灵”结构形成。

3.该工作被选为Back Cover论文。

研究发现,这种多界面的图灵结构Ag2Se-CoSe2材料是一种高效的氧气进化(OER)电催化剂,仅需要221 mV的过电压即可实现10 mA cm-2的产氧电流密度,其阳极析氧效率为84.5%。实验表明,Ag2Se-CoSe2的OER活性与图灵结构的界面长度呈线性相关,丰富的界面结构和界面结构处优化的OER中间体吸附能是其高活性的主要原因。

该研究运用“反应-扩散”理论,首次在无机纳米结构材料上构筑复杂的图灵结构,同时为设计更高性能的廉价催化剂提供新思路。

相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202017016

封面链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101543

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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