我科學家實現納米材料界面的原位精準原子級調控

  2021-02-02 07:33:59

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  我科學家實現納米材料界面的原位精準原子級調控

  科技日報訊 (記者王春)表界面結構是決定納米材料性能的關鍵因素。但這個界面是活性的,如何對其進行調控是當今科學界的一大挑戰。

  經過近5年的研究,浙江大學、中科院上海高等研究院、丹麥科技大學的研究團隊合作,利用環境透射電子顯微鏡的原位表征和第一性原理計算,提出并首次實現了界面活性位點的原子級別精準原位調控。這對如何從機制出發自下而上的實現材料、器件結構和功能的精準調控和設計有著重要意義。該項成果于1月29日在線刊登在國際權威雜志《科學》上。

  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,首次發現兩大現象:一是看到催化反應時金顆粒發生外延轉動,首次通過可視化實驗直觀證明了活性位點位于界面。二是發現停止通入一氧化碳催化時,金顆粒又神奇地轉回到原來的位置。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。

  是什么化“不可能”成為“可能”?中科院上海高等研究院理論團隊根據實驗結果首先大膽猜測誘導顆粒轉動的“元兇”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。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多且好的吸附氧活性位點。為了能更好地與吸附氧相結合,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。

  “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得那么‘硬’,而是更像橡皮泥一樣具有很強的原位可塑性。”科研人員解釋說。科研團隊由此進一步提出了通過改變反應環境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。

【編輯:陳海峰】

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