天河成果再登《Science》，“智造”纳米材料将成为可能

导 读

经过多年潜心研究，中科院上海高等研究院高嶷研究员团队联合国内外多家机构共同合作，借助天河二号的超高计算性能，提出并首次实现了界面活性位点的原子级别精准原位调控。该研究对应用于新能源开发以及污染气体减排的新型催化剂设计有着重大的意义。这一成果近期在国际顶级期刊《Science》主刊成功发表。这是该合作团队依托天河二号取得的系列科研成果两年内又一次登上《Science》。

表界面结构是决定纳米材料性能的关键因素。以负载型催化材料为例，金属颗粒与氧化物载体之间形成的界面在许多重要反应中起着关键性作用。但如何调控这一活性界面，至今仍是科学界的一大挑战。金属颗粒在负载过程中与基底形成的界面具有随机性，且目前也缺乏负载完成以后对界面进行“精修”的有效手段，这使得精确调控颗粒与氧化物间的活性催化界面极具挑战。

精确调控活性界面被认为是不可能完成的任务

经过近五年的研究，浙江大学张泽院士、王勇教授团队、中国科学院上海高等研究院高嶷研究员团队联合丹麦技术大学等合作单位，利用环境透射电子显微镜的原位表征和第一性原理计算，对原子尺度下一氧化碳催化氧化过程中观察到的催化剂界面活性位点的可逆变化进行解析，理解了活性界面与反应环境之间的动态原位相关关系，最终提出并首次实现了界面活性位点的原子级别精准原位调控。该项成果对如何从机制出发自下而上的实现材料、器件结构和功能的精准调控和设计有着重要意义。本次研究近期在国际顶级期刊《Science》在线刊登，这是合作团队继去年之后再次在《Science》杂志上发表相关成果。

Au-TiO2界面的原子结构和电子结构

负载在二氧化钛表面的金颗粒是将一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂，也是工业催化研究中的常见组合。浙江大学团队依托原位环境电镜开展催化反应实验，通过原子层面的原位表征，首次发现两大现象：一是看到催化反应时金颗粒发生面内（外延）转动（约9.5°）；二是发现停止通入一氧化碳催化时，金颗粒又神奇的转回到原来的位置。这次看到的催化剂旋转现象，通常被人们认为是不可能发生的现象。因为金颗粒和二氧化钛结合在一起时形成了新的化学键，“焊接”非常牢固，即便是被高能量的电子束轰击也都岿然不动。

“智造”纳米材料，化“不可能”为“可能”

是什么化“不可能”成为了“可能”？中国科学院上海高等研究院理论团队根据实验结果首先大胆猜测诱导颗粒转动的“元凶”是界面吸附的氧，并就此推测进行了一系列的第一性原理及纳米尺度热力学计算。结果显示，界面缺氧状态下的颗粒与二氧化钛载体紧密结合的同时丧失了一定的吸氧能力，转动了一个小的角度之后的颗粒界面则能提供多且好的吸附氧活性位点。为了能更好的与吸附氧相结合，适应高氧环境，颗粒转动由此发生。而在界面氧被活化与一氧化碳反应之后，颗粒又回到了原有位置以便与载体紧密结合。

▲ 温度和压力进行的Au-TiO₂界面操控

“通常人们认为固体晶体是一种稳固的材料，对固体晶体材料的调控必须从其生长过程着手，一旦材料成型再要调控是非常困难的。但是，最近十多年的原位研究显示，纳米固体晶体材料远没有大家想的那么‘硬’，而是更像橡皮泥一样具有很强的原位可塑性。” 中科院上海高等研究院高嶷团队的朱倍恩副研究员指出，这些原位实验现象昭示了一种革命性的原位“智造”纳米材料的可能性，但是这一切的前提是能合理预测其变化。科研团队由此进一步提出了通过改变反应环境来精确调控界面的设计思路，并最终在原位电镜实验中得以实现。

超算助力原位理论新模型“从0到1”

中科院上海高等研究院高嶷团队一直着力原位理论新模型“从0到1”的建设，通过一系列理论模型的发展，论证了纳米材料从平衡结构到非平衡结构演化过程的可预测性，同时在与实验合作中充分展现了理论模拟对原位实验现象从理解到设计能够起到的重要作用。在本次研究中，科研人员再次证明了利用反应环境原位精准调控材料功能表面与界面的可行性与广阔未来。该研究将对高效稳定的应用于新能源开发以及污染气体减排的新型催化剂设计有着重大的意义。

▲ 利用反应环境原子级调控催化剂活性界面结构示意图

“我们团队使用‘天河二号’超算系统已超过六年，天河二号超强模拟仿真能力和广州超算专业的技术支持服务是我们快速取得研究成果的强大支撑。”朱倍恩副研究员表示，“两篇Science论文研究的主要计算任务都是在天河二号上完成的，包括大规模并行的第一性原理计算等，没有超算助力，就很难有这些研究成果的高效产出。”

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特别鸣谢：朱倍恩

整理：岳苹

微信编辑：岳苹

初审：王栋

审核：万园园

审核发布：李奈青