我們的科學(xué)家實現(xiàn)了納米材料界面的原位精確原子級控制
表面界面結(jié)構(gòu)是決定納米材料性能的關(guān)鍵因素。但這種界面是活躍的，如何調(diào)控它是當今科學(xué)界面臨的一個重大挑戰(zhàn)。
經(jīng)過近5年的研究，浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海高等研究所、丹麥科技大學(xué)利用環(huán)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(xiàn)了界面活性位點的原子級精確原位調(diào)節(jié)，這對于從機理上實現(xiàn)材料、器件結(jié)構(gòu)和功能的精確調(diào)節(jié)和設(shè)計具有重要意義。研究結(jié)果于1月29日在國際領(lǐng)先期刊"科學(xué)"上發(fā)表。
負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，它們也是工業(yè)催化研究中常見的組合。浙江大學(xué)依靠現(xiàn)場環(huán)境電子顯微鏡進行催化反應(yīng)實驗。通過原子水平的原位表征，首次發(fā)現(xiàn)了兩種主要現(xiàn)象：一是在催化反應(yīng)過程中觀察到金粒子的外延旋轉(zhuǎn)，目視實驗表明活性中心首次位于界面處。二是發(fā)現(xiàn)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(xiàn)的催化劑旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象通常被認為是不可能的。
是什么使"不可能"變成"可能"？根據(jù)實驗結(jié)果，中科院上海高等研究所的理論小組大膽地猜測，誘導(dǎo)粒子旋轉(zhuǎn)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(xué)計算。結(jié)果表明，界面處于缺氧狀態(tài)的粒子與二氧化鈦載體緊密結(jié)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(jié)合，適應(yīng)高氧環(huán)境，粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當界面氧被激活并與一氧化碳反應(yīng)后，粒子回到原來的位置，以便與載體緊密結(jié)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(yīng)環(huán)境來精確調(diào)節(jié)界面的設(shè)計思想，并最終在原位電子顯微鏡實驗中實現(xiàn)了這種設(shè)計。
