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原位“智造”纳米材料展露其可能性
2021-02-19 08:26:00   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:黄海华
 
  表界面结构是决定纳米材料性能的关键因素。以负载型催化材料为例,金属颗粒与氧化物载体之间形成的界面在许多重要反应中起着关键性作用。但如何调控这一活性界面,是当今科学界的一大挑战。金属颗粒在负载过程中与基底形成的界面具有随机性,负载完成以后,缺乏有效手段对界面进行“精修”,这使得精确调控颗粒与氧化物间的活性催化界面成了一个“不可能的任务”。
 
  经过近5年的研究,浙江大学、中国科学院上海高等研究院和丹麦科技大学的研究团队合作,提出并首次实现了纳米材料界面活性位点的原子级别精准原位调控,这对如何从机制出发自下而上地实现材料、器件结构和功能的精准调控与设计有着重要意义。日前,该项研究在线发表于国际权威期刊《科学》。
 
  化“不可能”为“可能”
 
  负载在二氧化钛表面的金颗粒是将一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂,也是工业催化研究中的常见组合。浙江大学依托其擅长的原位环境电镜开展催化反应实验,通过原子层面的原位表征,首次发现两大现象:一是看到催化反应时金颗粒发生面内(外延)转动(约9.5°),首次通过可视化实验直观证明了活性位点位于界面。二是发现停止通入一氧化碳催化时,金颗粒又神奇地转回到原来的位置。这一催化剂旋转现象,通常被人们认为是不可能发生的现象。
 
  上海高研院理论团队根据实验结果首先大胆猜测诱导颗粒转动的“元凶”是界面吸附的氧,并就此推测进行了一系列的第一性原理及纳米尺度热力学计算。结果显示,界面缺氧状态下的颗粒与二氧化钛载体紧密结合的同时丧失了一定的吸氧能力,转动了一个小的角度之后的颗粒界面则能提供多且好的吸附氧活性位点。为了能更好地与吸附氧相结合,适应高氧环境,颗粒转动由此发生。而在界面氧被活化与一氧化碳反应之后,颗粒又回到了原有位置以便与载体紧密结合。
 
  基于这样的理论认识,科研人员进一步提出了通过改变反应环境(更换气体环境与控制温度)来精确调控界面的设计思路,并最终在原位电镜实验中得以实现。
 
  建设原位理论新模型
 
  “通常人们认为固体晶体是一种稳固的材料,对固体晶体材料的调控必须从其生长过程着手,一旦材料成型再要调控是非常困难的。就像一个乐高玩具,如果我们想要重塑其结构,我们必须进行拆解才能再构。但是,最近10多年的原位研究显示,纳米固体晶体材料远没有大家想的那么‘硬’,而是更像橡皮泥具有很强的原位可塑性。”上海高研院朱倍恩博士说。这些原位实验现象显示了,在合理预测其变化的前提下,一种革命性的原位“智造”纳米材料的可能性。
 
  上海高研院高嶷团队在最近几年着力原位理论新模型“从0到1”的建设,通过一系列理论模型的发展,论证了纳米材料从平衡结构到非平衡结构演化过程的可预测性,在实验合作中充分展现了理论模拟对原位实验现象从理解到设计能够起到的重要作用,并分别于2018年和2020年在《化学研究报告》和《德国应用化学》发表综述,总结了该团队的理论模型及在实验中的广泛应用。(黄海华)
 
 

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