納米材料界面的原位精準原子級調(diào)控實現(xiàn)

浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海高等研究院、丹麥科技大學(xué)的研究團隊首次實現(xiàn)了界面活性位點的原子級別精準原位調(diào)控，該成果對如何從機制出發(fā)、自下而上地實現(xiàn)材料、器件結(jié)構(gòu)和功能的精準調(diào)控和設(shè)計具有重要意義。

在負載型催化材料領(lǐng)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(yīng)中起著關(guān)鍵性作用。但如何調(diào)控這一活性界面，是當今科學(xué)界的一大挑戰(zhàn)。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(diào)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(wù)”。

在這項研究中，研究人員利用環(huán)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(yīng)環(huán)境之間的動態(tài)原位相關(guān)關(guān)系，首次實現(xiàn)了界面活性位點的原子級別精準原位調(diào)控。

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，也是工業(yè)催化研究中的常見組合。浙江大學(xué)電鏡中心張澤、王勇實驗團隊依托其擅長的原位環(huán)境電鏡開展催化反應(yīng)實驗，通過原子層面的原位表征，首次發(fā)現(xiàn)在催化反應(yīng)時金顆粒發(fā)生面內(nèi)(外延)轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)停止通入一氧化碳催化時，金顆粒又神奇的轉(zhuǎn)回到原來的位置。為了完全確認轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，研究團隊又從側(cè)視與俯視兩個角度進行了精細審慎的表征。

中國科學(xué)院上海高等研究院高嶷理論團隊，根據(jù)實驗結(jié)果首先大膽猜測誘導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)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(xué)計算。

研究結(jié)果顯示，界面缺氧狀態(tài)下的顆粒與二氧化鈦載體緊密結(jié)合的同時喪失了一定的吸氧能力，轉(zhuǎn)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(jié)合，適應(yīng)高氧環(huán)境，顆粒轉(zhuǎn)動由此發(fā)生。而在界面氧被活化與一氧化碳反應(yīng)之后，顆粒又回到了原有位置以便與載體緊密結(jié)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(yīng)環(huán)境(更換氣體環(huán)境與控制溫度)來精確調(diào)控界面的設(shè)計思路，并最終在原位電鏡實驗中得以實現(xiàn)。

專家表示，在這項成果中，科研人員再次證明了利用反應(yīng)環(huán)境原位精準調(diào)控材料功能表面與界面的可行性與廣闊未來。