一言不合就“上帝视角”:

Cover smll.201601944“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”。北宋诗人苏轼这句耳熟能详的诗句,描述的是从不同角度看同一座山峰会看到不同的风景。无独有偶,在我们利用透射电镜表征材料的微观结构时,得到的往往也只是材料在某一方向上的投影。而当材料具有复杂的三维微结构时,单一投影方向上的信息对于我们全面理解材料的微结构,进而探索物性与结构的关系显然是不够的。这就需要我们进一步发展新的表征手段,尽可能给出比较全面的微观结构信息。

纳米材料三维形貌的多样性和复杂性,赋予其非常丰富的物理化学性质。尤其是在纳米催化剂的领域,对表面形貌的调控是提高催化剂性能的重要手段之一。以能源电池中所应用的贵金属催化剂为例,清华大学徐柏庆课题组的研究表明,通过在平整表面的立方纳米颗粒上刻蚀出凹面结构,可将其电化学催化活性提高6-9倍。其原因主要是凹面的三维结构能够提供更多的低配位表面原子,即活性位点,从而提高催化活性。虽然这个直观的解释为大家广泛所接受,但对于低配位表面原子定量的表征却缺乏有效的手段,而且这种定量化的信息对于深入理解结构对催化性能的影响是至关重要的。

近期,清华大学的钟虓䶮和北京工业大学的柯小行合作,利用近年来发展的三维重构的方法,对徐柏庆课题组的凹面结构Pd/Au准立方纳米颗粒的表面原子结构进行了深入的表征,定量解析了不同配位数原子在表面的分布。他们首先对粒径约20nm的准立方结构颗粒进行三维重构,重现了全部六个凹面的表面形貌。同时利用正带轴下得到的投影确定纳米颗粒的晶体取向,并将晶体的坐标系与三维重构的坐标系进行关联。通过三维重构空间坐标系与晶体坐标系的转换,凹面结构的晶面指数得以确定,并在此基础上计算出低配位数表面原子在各个表面所占的比例:在凹面纳米结构的表面,仅有68%的表面原子具有8配位数(即完美立方结构晶体表面原子的配位数),而高达32%的表面原子具有低于8的配位数。该结果为理解低配位表面原子与催化反应活性之间的定量关系提供了直接实验证据。该工作首次对不规则形貌纳米颗粒的三维表面进行定量分析,研究了低配位数表面原子的分布及其对催化活性的影响,同时发展了一种将三维重构与晶体取向关联的新方法,对同类催化剂等能源材料的深入分析具有很强的普适性和推广性,有望应用于更多种纳米材料的研究与分析。

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“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。凹面结构中起伏的表面正类似于层峦叠嶂的山峰。所幸,利用新发展的微结构表征方法,我们能够提供“上帝视角”,对这种特殊凹面结构催化材料的表面进行三维重构,不但能够“识得庐山真面目”,并在此基础上进一步进行定量分析,深入探索表面纳米结构对催化活性的内在关联。

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