材料原子??分子科學(xué)研究所郝曉東博士在材料領(lǐng)域國際頂級期刊發(fā)表高水平論文

近日，前沿院材料原子?分子科學(xué)研究所青年人才郝曉東副教授在材料領(lǐng)域國際頂級期刊《材料學(xué)報》(Acta Materialia，最新影響因子7.565)發(fā)表題為“Atomistic origin of high-concentration Ce3+ in {100}-faceted Cr-substituted CeO2 nanocrystals（{100}晶面暴露的Cr摻雜CeO2納米晶高濃度Ce3+離子的原子起源）”的文章。郝曉東副教授為該論文第一作者和通訊作者，陜西科技大學(xué)為第一通訊單位，日本東北大學(xué)和東京大學(xué)為共同通訊單位。這是我校首次以通訊單位在該期刊發(fā)表論文，該論文的發(fā)表標(biāo)志著我校與其他國內(nèi)外高校、研究單位合作的新進展，極大地提高了我校在材料科學(xué)領(lǐng)域的國際影響力。

該研究是為了解決環(huán)境污染日益加劇的世界難題，開創(chuàng)新概念下的納米功能催化劑而開展的。二氧化鈰（CeO2）基三元催化劑被認為是高效的去除汽車尾氣污染物的材料之一，而提升氧空位濃度一直是納米功能氧化物研究的一大切入點。CeO₂得益于陽離子價態(tài)的靈活轉(zhuǎn)變而具備較高的氧空位濃度，具備較高的儲氧效率，因此被廣泛應(yīng)用于三元催化劑中。近些年來，研究者致力于提升CeO₂中的氧空位濃度，主要措施包括：納米功能化、活性摻雜、晶面調(diào)控等。然而，研究中缺乏對CeO₂材料的超微觀結(jié)構(gòu)表征及原子尺度下構(gòu)效關(guān)系深入的研究。本研究通過先進的合成方法，制備出{100}晶面暴露的Cr摻雜CeO₂納米晶，結(jié)合先進的球差校正電子顯微鏡，深入研究了Cr摻雜元素對CeO₂納米晶中的原子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)，與未摻雜的CeO₂納米晶相比，在Cr替位摻雜CeO₂納米晶內(nèi)部Ce³⁺離子濃度得到明顯提高。其中，通過深入研究發(fā)現(xiàn)，在較大尺寸的顆粒（>7 nm）內(nèi)部存在數(shù)量可觀的Ce³⁺離子，而未摻雜的CeO₂納米晶內(nèi)部幾乎不存在還原的Ce離子，表明Cr摻雜元素引起晶粒內(nèi)部形成一定數(shù)量的Ce³⁺離子。同時，通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，Cr元素能使得氧空位性能能從初始2.0 eV降低到0.99 eV，額外形成氧空位只需0.6 eV的能量；大幅降低了氧空位形成能，如圖2所示。與此同時，氧原子在400^oC下的遷移率達到5*10^-10m²s^-1，是未摻雜的CeO₂納米晶中氧原子遷移能力的10倍。降低的氧空位形成能以及高的氧原子遷移能力共同使得Cr摻雜CeO₂納米晶表現(xiàn)出十分優(yōu)異的OSC性能。本研究加深了對摻雜CeO₂納米材料的缺陷形成和作用機制的理解，為設(shè)計和制備基于活性摻雜、晶面調(diào)控、納米尺寸化等功能化因素的新型的CeO₂基催化劑提供可靠的理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。

當(dāng)前對納米功能材料的超微觀結(jié)構(gòu)表征及原子尺度下構(gòu)效關(guān)系的研究仍然有限，這也必須得到眾多研究人員的重視。氧化物納米晶（10 nm以下）體現(xiàn)出十分顯著的尺寸效應(yīng)，因而往往不能用塊體材料的傳統(tǒng)觀念去評價和研究。結(jié)合先進的球差校正電子顯微鏡與第一性原理計算方法，可實現(xiàn)對超細氧化物納米晶的原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理化學(xué)性質(zhì)進行原子尺度分析和研究。在本研究中，Cr摻雜元素對CeO2納米晶中的原子結(jié)構(gòu)、氧空位形成和分布等的定量分析和研究，加深了對摻雜CeO2納米材料的缺陷形成和作用機制的理解，有助于設(shè)計和制備基于活性摻雜、晶面調(diào)控、納米尺寸化等功能化因素的新型CeO2基催化劑，提升其在工業(yè)上的實際應(yīng)用價值。

郝曉東博士畢業(yè)于日本東北大學(xué)材料科學(xué)高等研究所，師從國際著名電鏡專家、日本電子顯微學(xué)會長幾原雄一（Yuichi Ikuhara）教授門下。2018年以陜西科技大學(xué)“青年拔尖人才”被引進，加盟許并社教授團隊。郝曉東主要依托陜西科技大學(xué)的超微觀結(jié)構(gòu)表征平臺-雙球差校正透射電子顯微鏡（JEM GRAND ARM 300F），實現(xiàn)皮米尺度下對納米功能材料的超微觀組織、成分和結(jié)構(gòu)的深度表征和分析，構(gòu)建其與催化、能源等性能之間的相互關(guān)系和規(guī)律。

論文詳細信息：Xiaodong Hao*,etal., Bingshe Xu, Tadafumi Adschiri*, Yuichi Ikuhara*.Atomistic origin of high-concentration Ce³⁺in {100}-faceted Cr-substituted CeO₂nanocrystals.ActaMaterialia, 2020. Doi:10.1016/j.actamat.2020.11.015.

(終審：杜楊 核稿：強濤濤 編輯：雷超 學(xué)生編輯：楊遠世）