重要意義！科學(xué)家實現(xiàn)納米材料界面的原位精準(zhǔn)原子級調(diào)控

表界面結(jié)構(gòu)是決定納米材料性能的關(guān)鍵因素。但這個界面是活性的，如何對其進(jìn)行調(diào)控是當(dāng)今科學(xué)界的一大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過近5年的研究，浙江大學(xué)、中科院上海高等研究院、丹麥科技大學(xué)的研究團(tuán)隊合作，利用環(huán)境透射電子顯微鏡的原位表征和第一性原理計算，提出并首次實現(xiàn)了界面活性位點的原子級別精準(zhǔn)原位調(diào)控。這對如何從機(jī)制出發(fā)自下而上的實現(xiàn)材料、器件結(jié)構(gòu)和功能的精準(zhǔn)調(diào)控和設(shè)計有著重要意義。該項成果于1月29日在線刊登在國際權(quán)威雜志《科學(xué)》上。

負(fù)載在二氧化鈦表面的金顆粒是將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳的重要催化劑，也是工業(yè)催化研究中的常見組合。浙江大學(xué)依托其擅長的原位環(huán)境電鏡開展催化反應(yīng)實驗，通過原子層面的原位表征，首次發(fā)現(xiàn)兩大現(xiàn)象：一是看到催化反應(yīng)時金顆粒發(fā)生外延轉(zhuǎn)動，首次通過可視化實驗直觀證明了活性位點位于界面。二是發(fā)現(xiàn)停止通入一氧化碳催化時，金顆粒又神奇地轉(zhuǎn)回到原來的位置。這次看到的催化劑旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通常被人們認(rèn)為是不可能發(fā)生的現(xiàn)象。

是什么化“不可能”成為“可能”?中科院上海高等研究院理論團(tuán)隊根據(jù)實驗結(jié)果首先大膽猜測誘導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)動的“元兇”是界面吸附的氧并就此推測進(jìn)行了一系列的第一性原理及納米尺度熱力學(xué)計算。結(jié)果顯示，界面缺氧狀態(tài)下的顆粒與二氧化鈦載體緊密結(jié)合的同時喪失了一定的吸氧能力，轉(zhuǎn)動了一個小的角度之后的顆粒界面則能提供多且好的吸附氧活性位點。為了能更好地與吸附氧相結(jié)合，適應(yīng)高氧環(huán)境，顆粒轉(zhuǎn)動由此發(fā)生。而在界面氧被活化與一氧化碳反應(yīng)之后，顆粒又回到了原有位置以便與載體緊密結(jié)合。

“最近十多年的原位研究顯示，納米固體晶體材料遠(yuǎn)沒有大家想得那么‘硬’，而是更像橡皮泥一樣具有很強(qiáng)的原位可塑性。”科研人員解釋說。科研團(tuán)隊由此進(jìn)一步提出了通過改變反應(yīng)環(huán)境來精確調(diào)控界面的設(shè)計思路，并最終在原位電鏡實驗中得以實現(xiàn)。(記者王春)

關(guān)鍵詞： 原位精準(zhǔn)原子級調(diào)控