我們的科學家實現了納米材料界面的原位精確原子級控制
2021-02-01 14:44 來源： 互聯網
表面界面結構是決定納米材料性能的關鍵因素。但這種界面是活躍的，如何調控它是當今科學界面臨的一個重大挑戰。
經過近5年的研究，浙江大學、中國科學院上海高等研究所、丹麥科技大學利用環境透射電子顯微鏡的原位表征和第一原理計算，首次提出并實現了界面活性位點的原子級精確原位調節，這對于從機理上實現材料、器件結構和功能的精確調節和設計具有重要意義。研究結果于1月29日在國際領先期刊"科學"上發表。
負載在二氧化鈦表面的金顆粒是將一氧化碳轉化為二氧化碳的重要催化劑，它們也是工業催化研究中常見的組合。浙江大學依靠現場環境電子顯微鏡進行催化反應實驗。通過原子水平的原位表征，首次發現了兩種主要現象：一是在催化反應過程中觀察到金粒子的外延旋轉，目視實驗表明活性中心首次位于界面處。二是發現當一氧化碳催化劑停止時，金粒子神奇地回到原來的位置。這一次出現的催化劑旋轉現象通常被認為是不可能的。
是什么使"不可能"變成"可能"？根據實驗結果，中科院上海高等研究所的理論小組大膽地猜測，誘導粒子旋轉的"罪魁禍首"是界面吸附的氧，并進行了一系列的第一性原理和納米尺度熱力學計算。結果表明，界面處于缺氧狀態的粒子與二氧化鈦載體緊密結合，失去了一定的吸氧能力，小角度的顆粒界面可以提供更多更好的氧吸附活性中心。為了更好地與吸附氧結合，適應高氧環境，粒子發生旋轉。當界面氧被激活并與一氧化碳反應后，粒子回到原來的位置，以便與載體緊密結合。
近十年來的"原位研究"表明，納米固體晶體材料遠沒有人們想象的‘硬’，而是比橡膠泥具有更多的原位可塑性。"研究人員解釋道。因此，科研團隊進一步提出了通過改變反應環境來精確調節界面的設計思想，并最終在原位電子顯微鏡實驗中實現了這種設計。
責任編輯：無量渡口
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