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納米材料有望原位“智造”
2021-02-03 15:15:08 材料科學 納米材料 催化劑
示意圖：利用反應環境原子級調控催化劑活性界面結構 浙江大學電鏡中心王勇研究團隊供圖
表界面結構是決定納米材料性能的關鍵因素。納米材料能否像彩泥那樣實現原位“智造”？科學家的一項研究成果給出了答案。
浙江大學、中國科學院上海高等研究院、丹麥科技大學的研究團隊首次實現了界面活性位點的原子級別精準原位調控，該成果對如何從機制出發、自下而上地實現材料、器件結構和功能的精準調控和設計具有重要意義。相關研究成果于北京時間1月29日凌晨在線發表于《科學》。
在負載型催化材料領域，金屬顆粒與氧化物載體之間形成的界面在許多重要反應中起著關鍵性作用。但如何調控這一活性界面，是當今科學界的一大挑戰。金屬顆粒在負載過程中與基底形成的界面具有隨機性，負載完成以后，目前也缺乏有效手段對界面進行“精修”，這使得精確調控顆粒與氧化物間的活性催化界面成了一個“不可能完成的任務”。
在這項研究中，研究人員利用環境透射電子顯微鏡的原位表征和第一性原理計算，對原子尺度下一氧化碳催化氧化過程中觀察到的催化劑界面活性位點的可逆變化進行解析，揭示了活性界面與反應環境之間的動態原位相關關系，首次實現了界面活性位點的原子級別精準原位調控。
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，也是工業催化研究中的常見組合。浙江大學電鏡中心張澤、王勇實驗團隊依托其擅長的原位環境電鏡開展催化反應實驗，通過原子層面的原位表征，首次發現在催化反應時金顆粒發生面內（外延）轉動（約9.5°），首次通過可視化實驗直觀證明了活性位點位于界面；此外，還發現停止通入一氧化碳催化時，金顆粒又神奇的轉回到原來的位置。為了完全確認轉動現象，研究團隊又從側視與俯視兩個角度進行了精細審慎的表征。
研究人員表示，之所以如此慎重，是因為這次看到的催化劑旋轉現象，通常被人們認為是不可能發生的現象。因為金顆粒和二氧化鈦結合在一起時形成了新的化學鍵，“焊接”非常牢固（有外延關系），即便是被高能量的電子束轟擊也都巋然不動。
是什么化“不可能”為“可能”、實驗觀察到的現象背后的機制是什么、這是否可以被利用來實現催化劑界面精確調控的夢想？
中國科學院上海高等研究院高嶷理論團隊，根據實驗結果首先大膽猜測誘導顆粒轉動的“主角”是界面吸附的氧，并就此推測進行了一系列的第一性原理及納米尺度熱力學計算。
研究結果顯示，界面缺氧狀態下的顆粒與二氧化鈦載體緊密結合的同時喪失了一定的吸氧能力，轉動了一個小的角度之后的顆粒界面則能提供“又多又好”的吸附氧活性位點。為了能更好的與吸附氧相結合，適應高氧環境，顆粒轉動由此發生。而在界面氧被活化與一氧化碳反應之后，顆粒又回到了原有位置以便與載體緊密結合。
基于這樣的理論認識，科研人員進一步提出了通過改變反應環境（更換氣體環境與控制溫度）來精確調控界面的設計思路，并最終在原位電鏡實驗中得以實現。
中國科學院上海高等研究院副研究員朱倍恩介紹：“通常人們認為固體晶體是一種穩固的材料，對固體晶體材料的調控必須從其生長過程著手，一旦材料成型再要調控是非常困難的。” 他解釋，“就像一個樂高玩具，如果我們想要重塑其結構，我們必須進行拆解才能再構。但是，最近十多年的原位研究顯示，納米固體晶體材料遠沒有大家想的那么‘硬’，而是更像橡皮泥一樣具有很強的原位可塑性。這些原位實驗現象昭示了一種革命性的原位‘智造’納米材料的可能性，但是這一切的前提是能合理預測其變化。”
專家表示，在這項成果中，科研人員再次證明了利用反應環境原位精準調控材料功能表面與界面的可行性與廣闊未來。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abe3558
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