表界面結(jié)構(gòu)是決定納米材料性能的關(guān)鍵因素，那么納米材料能否像橡皮泥那樣實現(xiàn)原位“智造”呢?浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海高等研究院等國內(nèi)外機構(gòu)研究人員，首次實現(xiàn)了界面活性位點的原子級別精準(zhǔn)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(zhǔn)調(diào)控和設(shè)計具有重要意義。相關(guān)研究成果1月29日在線發(fā)表于《科學(xué)》。

在負(fù)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)控這一活性界面是一大挑戰(zhàn)。金屬顆粒在負(fù)載過程中與基底形成的界面具有隨機性，負(fù)載完成以后，目前也缺乏有效手段對界面進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)原位調(diào)控。

負(fù)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(tuán)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，他們還發(fā)現(xiàn)停止通入一氧化碳催化時，金顆粒又轉(zhuǎn)回到原來位置。為了完全確認(rèn)轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，研究團(tuán)隊又從側(cè)視與俯視兩個角度進(jìn)行了表征。

研究人員表示，這次看到的催化劑旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象通常被人們認(rèn)為是不可能發(fā)生的，因為金顆粒和二氧化鈦結(jié)合在一起時形成了新的化學(xué)鍵，“焊接”非常牢固，即便是被高能量的電子束轟擊也都巋然不動。那么，是什么化“不可能”為“可能”?

中國科學(xué)院上海高等研究院高嶷理論團(tuán)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(jìn)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。為了能更好地與吸附氧相結(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(rèn)識，科研人員進(jìn)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)。

中國科學(xué)院上海高等研究院副研究員朱倍恩介紹：“通常人們認(rèn)為固體晶體是一種穩(wěn)固的材料，對固體晶體材料的調(diào)控必須從其生長過程著手，一旦材料成型再要調(diào)控是非常困難的。就像一個樂高玩具，如果想要重塑其結(jié)構(gòu)，我們必須進(jìn)行拆解才能再構(gòu)。但是，最近十多年的原位研究顯示，納米固體晶體材料遠(yuǎn)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(xiàn)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(yù)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(yīng)環(huán)境原位精準(zhǔn)調(diào)控材料功能表面與界面的可行性與廣闊未來。(何靜 崔雪芹)