科學研究

材料原子??分子科學研究所郝晓东博士在材料领域国际顶级期刊发表高水平论文

2020-11-27 08:55 文、图/前沿院 郝晓东 点击:[]

近日,前沿院材料原子?分子科學研究所青年人才郝晓东副教授在材料领域国际顶级期刊《材料学报》(Acta Materialia,最新影响因子7.565)发表题为“Atomistic origin of high-concentration Ce3+ in {100}-faceted Cr-substituted CeO2 nanocrystals({100}晶面暴露的Cr掺杂CeO2纳米晶高浓度Ce3+离子的原子起源)”的文章。郝晓东副教授为该论文第一作者和通讯作者,陕西科技大学为第一通讯单位,日本东北大学和东京大学为共同通讯单位。这是我校首次以通讯单位在该期刊发表论文,该论文的发表标志着我校与其他国内外高校、研究单位合作的新进展,极大地提高了我校在材料科学领域的国际影响力。

該研究是爲了解決環境汙染日益加劇的世界難題,開創新概念下的納米功能催化劑而開展的。二氧化铈(CeO2)基三元催化劑被認爲是高效的去除汽車尾氣汙染物的材料之一,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得益于陽離子價態的靈活轉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、晶面調控等。然而,研究中缺乏對CeO2材料的超微觀結構表征及原子尺度下構效關系深入的研究。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納米晶中的原子結構,如圖1所示。研究發現,與未摻雜的CeO2納米晶相比,在Cr替位摻雜CeO2納米晶內部Ce3+离子浓度得到明显提高。其中,通过深入研究发现,在较大尺寸的颗粒(>7 nm)内部存在数量可观的Ce3+離子,而未摻雜的CeO2納米晶內部幾乎不存在還原的Ce離子,表明Cr摻雜元素引起晶粒內部形成一定數量的Ce3+离子。同时,通过第一性原理计算发现,Cr元素能使得氧空位性能能从初始2.0 eV降低到0.99 eV,额外形成氧空位只需0.6 eV的能量;大幅降低了氧空位形成能,如图2所示。与此同时,氧原子在400oC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納米晶表現出十分優異的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,爲設計和制備基于活性摻雜、晶面調控、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和實驗數據。

当前对纳米功能材料的超微观结构表征及原子尺度下构效关系的研究仍然有限,这也必须得到众多研究人员的重视。氧化物纳米晶(10 nm以下)体现出十分显著的尺寸效应,因而往往不能用块体材料的传统观念去评价和研究。结合先进的球差校正电子显微镜与第一性原理计算方法,可实现对超细氧化物纳米晶的原子结构、化学成分和物理化学性质进行原子尺度分析和研究。在本研究中,Cr掺杂元素对CeO2纳米晶中的原子结构、氧空位形成和分布等的定量分析和研究,加深了对掺杂CeO2纳米材料的缺陷形成和作用机制的理解,有助于设计和制备基于活性掺杂、晶面调控、纳米尺寸化等功能化因素的新型CeO2基催化剂,提升其在工业上的实际应用价值。

郝晓东博士毕业于日本东北大学材料科学高等研究所,师从国际著名电镜专家、日本电子显微学会长几原雄一(Yuichi Ikuhara)教授门下。2018年以陕西科技大学“青年拔尖人才”被引进,加盟许并社教授团队。郝晓东主要依托陕西科技大学的超微观结构表征平台-双球差校正透射电子显微镜(JEM GRAND ARM 300F),实现皮米尺度下对纳米功能材料的超微观组织、成分和结构的深度表征和分析,构建其与催化、能源等性能之间的相互关系和规律。

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.

(终审:杜杨 核稿:强涛涛 编辑:雷超 學生编辑:杨远世)

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