表界面結(jié)構(gòu)是決定納米材料性能的關(guān)鍵因素，比如金屬催化劑與載體的界面在多相催化中起著關(guān)鍵作用，金屬顆粒與氧化物載體之間形成的界面在一些重要反應(yīng)中起關(guān)鍵性作用，但該界面通常被認(rèn)為是剛性不可塑的。但是最近發(fā)表在Science期刊的一項(xiàng)研究成果顯示，納米晶體的原位調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)，把不可能變成了可能。

DOI: 10.1126/science.abe3558

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。金屬顆粒在負(fù)載過程中與基底形成的界面具有隨機(jī)性，目前，負(fù)載完成以后亦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“不可能的任務(wù)”。

上海高研院博士朱倍恩指出：“固體晶體通常被認(rèn)為是一種穩(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，一旦材料成型再進(jìn)行調(diào)控，這是不容易的。就像樂高玩具，如果我們想要重塑其結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行拆解才能夠再構(gòu)。但近年來的原位研究顯示，納米固體晶體材料沒有大家想的那么“硬”，而是更像橡皮泥一樣具有較強(qiáng)的原位可塑性。”這些原位實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象昭示了一種革命性的原位“智造”納米材料的可能性，但這一切的前提是研究人員能夠合理預(yù)測其變化。

溫度和壓力條件下的Au-TiO₂界面操控

上海高研院理論團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，猜測誘導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)動的“元兇”是界面吸附的氧，并就此推測，進(jìn)行了系列的第一性原理及納米尺度熱力學(xué)計(jì)算。結(jié)果顯示，界面缺氧狀態(tài)下的顆粒在與二氧化鈦載體緊密結(jié)合的同時(shí)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夠提供多且好的吸附氧活性位點(diǎn)。為了能夠更好地與吸附氧結(jié)合，適應(yīng)高氧環(huán)境，顆粒轉(zhuǎn)動由此發(fā)生。然而，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。

具體而言，研究人員利用畸變校正的環(huán)境透射電子顯微鏡，研究了金（Au）和二氧化鈦（TiO₂）載體之間的界面。原子尺度觀察表明，在一氧化碳（CO）氧化過程中，金納米顆粒在TiO₂表面的外延旋轉(zhuǎn)對Au-TiO₂界面的原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了意想不到的依賴性，而這通常被認(rèn)為是不可能發(fā)生的現(xiàn)象：因?yàn)榻痤w粒和二氧化鈦結(jié)合在一起時(shí)，新的化學(xué)鍵非常牢固。利用旋轉(zhuǎn)的可逆性和可控性，通過改變氣體和溫度實(shí)現(xiàn)了對活性Au-TiO₂界面的原位操控。

參考來源：中科院上海高等研究院

編譯整理 YUXI