科學(xué)研究

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(jí)期刊發(fā)表高水平論文

2020-11-27 08:55 文、圖/前沿院 郝曉東 點(diǎn)擊:[]

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(jí)期刊《材料學(xué)報(bào)》(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(jìn)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(rèn)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(diǎn)。CeO2得益于陽離子價(jià)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(chǔ)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(duì)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(jìn)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(jìn)的球差校正電子顯微鏡,深入研究了Cr摻雜元素對(duì)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(shí),通過第一性原理計(jì)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(shí),氧原子在400oC下的遷移率達(dá)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(duì)摻雜CeO2納米材料的缺陷形成和作用機(jī)制的理解,為設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

當(dāng)前對(duì)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(píng)價(jià)和研究。結(jié)合先進(jìn)的球差校正電子顯微鏡與第一性原理計(jì)算方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)超細(xì)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(jìn)行原子尺度分析和研究。在本研究中,Cr摻雜元素對(duì)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(duì)摻雜CeO2納米材料的缺陷形成和作用機(jī)制的理解,有助于設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(huì)長(zhǎng)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(jìn),加盟許并社教授團(tuán)隊(duì)。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(tái)-雙球差校正透射電子顯微鏡(JEM GRAND ARM 300F),實(shí)現(xiàn)皮米尺度下對(duì)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(xì)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(qiáng)濤濤 編輯:雷超 學(xué)生編輯:楊遠(yuǎn)世)

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