2023年首篇！华南理工大学合作成果登Science！

沸石是一种铝硅酸盐微孔晶体，其内部结构由规则的晶内空腔和分子尺寸的通道组成。这种微孔结构赋予沸石出色的吸附、分离和催化性能，并使其能够理想地选择特定的尺寸和形状。然而，沸石结构的复杂性导致它容易受到结构和成分的不均匀性的影响，从而深刻地影响了其特性。虽然沸石中的不均匀性已被广泛认可，但由于缺乏适当的表征技术，精确确定局部非周期性结构仍然具有挑战性。因此，需要采用更有效的电子成像方法来探测其内部结构，以解决这一问题。

鉴于此，近日华南理工大学张辉教授和阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）韩宇教授的合作在Science上发表题为 “Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography”的研究成果。

概述

该研究成果针对现有原子分辨率低剂量成像技术的不足，将低剂量成像技术中的样品倾转和电子计量控制方法运用于叠层衍射，在几十纳米厚的多种沸石分子筛中实现了优于1 Å的横向分辨率和~6.6 nm的纵向分辨率。丰富的三维结构信息使深入探究氧空位分布、孔道分子构型和纳米畴界面结构等局域结构及成分特征成为可能。由于沸石分子筛是石油化工行业中最重要的固体催化剂之一，低剂量成像技术的突破将有助于更深入地探究其构效关系，加速催化剂的研发。

图文导读

作者首先通过图像模拟对比了iDPC-STEM技术和Ptychography技术对样品厚度的容忍度（图1）。以ZSM-5的[010]带轴为例，作者发现当样品厚度超过10 nm时，iDPC-STEM图像分辨率大大降低，甚至出现大幅偏离结构的假衬度，不能反映真实的样品结构。与之不同，Ptychography图像则展现了较好的厚度容忍性，即使在40 nm厚的样品中仍能得到极高的分辨率与较好的衬度。用Ptychography得到的实验图像与模拟结果高度吻合，在~40 nm厚的ZSM-5分子筛中清晰区分开了T原子柱和O原子柱，并获得了~0.85 Å的横向分辨。需特别指出的是，实验中作者只进行粗聚焦，避免了精细聚焦过程中电子束对样品的破坏，成像时样品处于离焦状态。

图1：具有不同厚度的ZSM-5样品的iDPC-STEM成像与Ptychography成像

作者在ZSM-5 [100]带轴和EMM-17 [001]带轴也得到了与结构模型高度吻合的亚埃分辨率图像（图2）。此外，作者用该技术清楚地观察到了吸附于ZSM-5直孔道中的有机分子（p-xylene），并发现吸附分子有不同的指向，体现了分子筛孔道中不同的化学环境以及主客体相互作用。

图2. 不同分子筛样品以及孔道吸附有机分子的成像

由于T原子柱和O原子柱在Ptychography图像中被清晰地区分开，作者对其强度进行了定量分析，分析发现样品中存在O空位。作者用图像模拟定出了可用于O空位识别的强度阈值，并应用于实验数据，得到了ZSM-5中O空位的三维分布（图3）。该方法得到的O空位含量与吡啶吸附方法测得的路易斯酸位点的数量基本相符。这对进一步研究沸石分子筛中酸性位点的分布具有重要意义。

图3. ZSM-5中氧空位的三维分布

ZSM-5（MFI）与ZSM-11（MEL）这两种结构相似的分子筛经常共存，但学界对它们的共存状态是混合还是共生仍不十分清楚，对其相界面结构也知之甚少。作者借助Ptychography的超高分辨率成像能力，清晰解析了MFI-MEL相界面沿a轴、c轴方向的原子结构，并建立了b轴方向的界面原子模型（图4）。

图4. MFI-MEL相界面原子结构成像

最后，作者分析了低剂量条件下，多层法Ptychography重构的纵向分辨率（depth resolution）。计算表明，虽然Ptychography的横向分辨率低于1 Å，但是其纵向分辨率只有~6.6 nm（图5）。

图5. 纵向分辨率

通过对比Ptychogrpahy、 Optical Sectioning、Tomography等TEM三维成像技术，作者指出，低剂量Ptychography与Tomography相结合或将进一步提升纵向分辨率，真正实现低剂量下的原子分辨率三维结构表征。

参考文献：

Hui Zhang, Guanxing Li, Jiaxing Zhang, Daliang Zhang, Zhen Chen, Xiaona Liu, Peng Guo, Yihan Zhu, Cailing Chen, Lingmei Liu, Xinwen Guo, and Yu Han. Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography. Science, 2023, 380 (6645), 633-638. DOI: 10.1126/science.adg3183

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