亚埃尺度下金属纳米颗粒的原位成核与生长研究

Understanding and controlling nucleation and growth process is significantly important for many crystallization applications, since the morphology, shape and structure of nanomaterials can be tailored by changing the process of nucleation and growth. In order to continuously record the migration of atoms before and after nucleation process, we proposed a simple but effective method to in-situ image the atomic behavior of nucleation and growth, based on graphene-single atom system. The atomic dynamic process can be recorded using spherical aberration corrected transmission electron microscope during the irradiation of electron beam. Furthermore, through varying the chemical state of graphene, irradiation mode of electron beam, the accelerating voltage of electron beam, nucleation temperature and the concentration of precursor atoms, we expect to explorer the mechanism of nucleation and growth. The electron energy loss spectroscopy technology will be adopted to monitor the valence state change of precursor atoms, nuclei and grown nanoparticles. Density functional theory and molecular dynamic simulation will be carried out to understand the nucleation and growth process. Also, the nucleation and growth dependent final structure of grown nanoparticles will be studied. The research of this project will deepen the understanding of nucleation and growth at atomic scale, and provide an alternative method to tailor the morphology, size, structure and composition of nanomaterials.

由于成核与生长过程对纳米材料的形貌、尺寸和结构有强烈的影响，对成核与生长的研究一直是纳米科学的研究热点。为了原位研究成核前后的原子迁移与成核动态过程，本项目提出将金属单原子分散在石墨烯上，利用电子束对金属原子的加热与辐照作用，诱导其成核生长，并在原子尺度考察金属原子的成核过程。利用电子能量损失谱（EELS）技术分析单原子、晶核与颗粒的电子结构和价态的变化过程。通过改变石墨烯基底、更换电子束辐照模式、改变电子束加速高压、调节反应温度、改变单原子的种类和聚集类型等手段，研究成核与生长的机理，探索其调控方法。最后结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟理解成核与生长过程。本项目的实施，可以丰富人们对成核与生长过程的认识，加深对该过程的理解，发展并获得一系列原位调控的关键技术，为完善石墨烯纳米复合材料的制备方法，提供新的研究思路与技术方案。

理解金属纳米颗粒的原位成核与生长机制，对于调控制备具有特定形貌、尺寸和结构的纳米材料具有重要意义，是近年来纳米科学的研究热点。在本项目中，我们实现了亚埃尺度下成核与生长过程的原位成像过程，利用球差电镜研究了多种金属纳米颗粒的成核与生长过程，观察了原子的迁移轨迹、晶格变化和价态变化的监测，获取了多维度的信息。在亚埃尺度观察到多步成核过程，加深了对金属纳米颗粒成核余生长的认识。并利用电子束调控获得了晶格膨胀的纳米晶体和非常规晶相（例如面心立方Ru、六方Rh和新的金属间化合物IrCo）；通过原位观察氧化石墨烯上的金属颗粒生长，观察到多种金属纳米颗粒（Cu、Ag、Pt、Au、Pd）的各向异性生长，并实时跟踪表面原子排列的详细演变。发现氧化石墨烯中的氧对金属颗粒的形貌起到调控作用；我们进一步利用原位球差电镜，将研究对象拓展到普适碳基金属催化剂，研究了其烧结机制，发现可以利用颗粒之间的临界间距调控烧结的过程（颗粒迁移和聚集和奥斯瓦尔德熟化），并依次提出通过基底改性增强基底与金属相互作用实现抗烧结的制备方法，成果实现了多种高载量单原子和46种铂基金属间化合物的制备。在本项目的支持下，一共发表了SCI论文17篇，包括Nature Communications 2篇、Matter 1篇、Angewandte Chemie 2篇、Advanced Materials 1篇、Advanced Functional Materials 1篇、Journal of the American Chemical Society Chemical 2篇、Nano Research 1篇，ACS Applied Materials & Interfaces 1篇以及The journal of physical chemistry letters 1篇。