20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的納米科技，讓人們能夠在原子和分子的水平上控制物質(zhì)，使材料發(fā)揮出新穎、獨(dú)特且極為優(yōu)異的效應(yīng)，也使人類(lèi)進(jìn)入了納米時(shí)代。
納米材料，即具有納米數(shù)量級(jí)晶粒尺寸的材料，則能賦予產(chǎn)品奇特而優(yōu)異的性能，如優(yōu)越的強(qiáng)度、硬度、高溫塑性，以及優(yōu)異的耐磨抗蝕性能等。因此，納米材料技術(shù)在高新技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用展示了十分廣闊的發(fā)展前景，也為粉體企業(yè)帶來(lái)了生機(jī)。
傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，納米材料隨尺寸減小、缺陷密度增高帶來(lái)高反應(yīng)活性，但也會(huì)隨之犧牲長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。關(guān)于納米材料在氣氛下或反應(yīng)中的穩(wěn)定性，尤其是對(duì)催化反應(yīng)具有重要意義的5nm以下活性納米結(jié)構(gòu)，一直以來(lái)都缺乏在原子尺度上的微觀機(jī)理研究。
近日，中科院包信和、楊帆等人首次提出“動(dòng)態(tài)尺寸效應(yīng)”決定納米粒子穩(wěn)定機(jī)制。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在Pt（111）表面構(gòu)建不同尺寸、結(jié)構(gòu)高度規(guī)整的FeO納米結(jié)構(gòu)并研究其深度氧化的動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)直徑3nm以下的FeO納米粒子表現(xiàn)出更好的抗氧化能力。
利用高分辨掃描隧道顯微鏡（STM）結(jié)合DFT理論計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了尺寸相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化及其在納米粒子氧化過(guò)程中的決定性作用。
研究還發(fā)現(xiàn)，尺寸在3.2nm以下的FeO納米粒子在邊界的配位不飽和Fe2+解離O2的同時(shí)會(huì)發(fā)生整體的再構(gòu)，使解離的氧原子穩(wěn)定在邊界而難以鉆入FeO和Pt之間的界面，從而減緩了FeO的深度氧化過(guò)程。而對(duì)于尺寸在3.2nm以上的粒子，由于無(wú)法完成整體再構(gòu)，形成表面位錯(cuò)且難以穩(wěn)定邊界氧原子，反而更容易被進(jìn)一步氧化。也就是說(shuō)，小納米粒子在反應(yīng)中更容易動(dòng)態(tài)變化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，這種“動(dòng)態(tài)尺寸效應(yīng)”使小納米粒子表現(xiàn)出了反常穩(wěn)定性。
此外，該研究團(tuán)隊(duì)還研究了負(fù)載在Pt（111）或Au（111）上的CoO納米結(jié)構(gòu)，也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的3nm以下粒子的抗氧化行為，說(shuō)明這種動(dòng)態(tài)尺寸效應(yīng)對(duì)于負(fù)載型過(guò)渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)具有一定的普適性。該項(xiàng)研究不僅為納米催化劑在氣氛下的動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)制帶來(lái)了原子級(jí)認(rèn)識(shí)，也為發(fā)展抗腐蝕抗氧化納米防護(hù)涂層提供了一種新的界面調(diào)控思路。
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