表界面結構是決定納米材料性能的關鍵因素。以負載型催化材料為例，金屬顆粒與氧化物載體之間形成的界面在許多重要反應中起著關鍵性作用。但如何調控這一活性界面，是當今科學界的一大挑戰。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”，這使得精確調控顆粒與氧化物間的活性催化界面成了一個“不可能的任務”。
經過近五年的研究，浙江大學、中國科學院上海高等研究院和丹麥科技大學的研究團隊合作，提出并首次實現了納米材料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地實現材料、器件結構和功能的精準調控與設計有著重要意義。日前，該項研究在線發表于國際權威期刊《科學》。
化“不可能”為“可能”
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面內(外延)轉動(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。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。這一催化劑旋轉現象，通常被人們認為是不可能發生的現象。
上海高研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。
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環境(更換氣體環境與控制溫度)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。
建設原位理論新模型
“通常人們認為固體晶體是一種穩固的材料，對固體晶體材料的調控必須從其生長過程著手，一旦材料成型再要調控是非常困難的。就像一個樂高玩具，如果我們想要重塑其結構，我們必須進行拆解才能再構。但是，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的那么‘硬’，而是更像橡皮泥具有很強的原位可塑性。”上海高研院朱倍恩博士說。這些原位實驗現象顯示了，在合理預測其變化的前提下，一種革命性的原位“智造”納米材料的可能性。
上海高研院高嶷團隊在最近幾年著力原位理論新模型“從0到1”的建設，通過一系列理論模型的發展，論證了納米材料從平衡結構到非平衡結構演化過程的可預測性，在實驗合作中充分展現了理論模擬對原位實驗現象從理解到設計能夠起到的重要作用，并分別于2018年和2020年在《化學研究報告》和《德國應用化學》發表綜述，總結了該團隊的理論模型及在實驗中的廣泛應用。(記者 黃海華)
關鍵詞： 革命性納米材料
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