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浙江大学王勇教授：环境电子显微学助力催化活性位点的原子水平原位设计
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近日，浙江大学电镜中心王勇教授的AMR述评文章“Toward In Situ Atomistic Design of Catalytic Active Sites via Controlled Atmosphere Transmission Electron Microscopy” 在线发表。文章概述了利用可控气氛透射电子显微学在催化剂活性位点原子尺度原位设计方面的应用潜力，并对该领域的未来发展进行了展望。
关键词：催化剂活性位点, 环境透射电子显微学，表界面活性位点设计
环境电子显微学助力催化活性位点的原子水平原位设计。
1、文章内容概述
多相催化剂被广泛用于能源、环境、化工等多个工业领域。在实际应用中，催化剂中起到关键作用的通常是催化剂表/界面上的小部分位点，即催化剂的活性位点。自从上世纪20年代Hugh Taylor提出"活性位点"的概念以来，在原子水平确定催化剂活性位点以及理解发生在活性位点上的分子反应机制已成为催化研究的重中之重；研究人员尝试用不同的方法来获取与表界面活性位点有关的各种信息，以实现从原子水平上对催化剂进行合理设计。然而到目前为止，由于缺乏真实反应环境下活性位点原子尺度的直接信息以及对其原子水平调控有效的手段，对表界面活性位点的原子水平原位设计仍然具有很大挑战。特别是以下一些关键问题仍有待解决：(1) 如何精准识别活性位点，这是理解催化机制和合理设计催化剂的基础；(2) 如何在原子尺度上精确调控表界面活性位点，这是实现催化剂理想性能的基础；(3) 如何能够确保这些活性位点在使役环境下长期高效稳定运行而不失活，这是所设计的催化剂能否投入实际应用的关键。这些问题的解决都有赖于对催化剂不同表界面结构与外场环境（气体、压力、温度等）之间相互作用规律的深入理解。近年来环境电子显微学的蓬勃发展，为我们解决以上催化剂活性位点原子尺度原位设计相关问题提供了重要的机遇。
本篇述评主要介绍了本研究小组利用可控气氛（环境）透射电子显微学（CATEM）对催化剂表界面活性位点的研究进展和活性位点原子水平原位设计的初步探索。首先简要介绍了CATEM技术的最新进展；然后介绍了我们利用CATEM方法，围绕表面原子结构确定、活性成分动态分析、反应分子可视化及实时构效关系建立等几个方面，探索对催化剂活性位点的原位精准确认；下一部分介绍了通过外场环境（如气体、温度和压力）对活性位点进行原子尺度的精确调控的探索；之后讨论了基于我们对失活机制的原位研究，对催化剂表界面活性位点抗失活策略的探索；最后，我们对这一蓬勃发展的领域的未来机遇和挑战提出了自己的看法。
图1：催化剂活性位点原位设计
2、AMR：请问您选择该领域的初心是什么？
王勇教授：
选择该领域的初心就是想亲眼看看催化剂在反应过程中是什么样子的，会不会变，如果变是如何变的，为什么会这样变。催化剂表界面活性位点上发生的催化反应过程一直以来都被认为是个神秘的“黑匣子”。研究人员利用各种不同的方法进行了大量的研究试图去揭开催化过程的神秘面纱。然而近年来研究发现，催化剂在真实反应气氛环境下的状态可能与传统的高真空环境表征的状态截然不同，这就迫使我们必须在反应气氛环境下去研究催化剂的真实行为。原位环境电镜技术是在传统电镜强大的结构、成分、价态等分析功能的基础上，引入外场环境（包括热、气、液、光等），能够在催化反应中对催化剂进行原子层次原位动态研究，为研究催化机制和设计高性能催化剂带来了新的机会。因此我们的初衷是期望利用和发展原位环境电镜方法，去探究催化反应的“黑匣子”，揭示微观的催化机理，实现原子层次对催化剂的活性位点的原位优化设计，助力于高性能催化剂的快速研发。
3、AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
王勇教授：
尽管目前利用CATEM方法突破了传统研究中的“压力鸿沟”和“材料鸿沟”，在催化剂的原位动态研究中取得了很多不错的研究成果，但整体来看这个领域依然处在蓬勃发展的初期，大部分的研究还局限在一些简单体系和模型催化反应上，在实际应用的催化反应中依然还有很多重要的基础科学问题有待解决。随着原位环境电镜技术的发展，能够在更加接近真实反应的环境下，以更高空间分辨率和时间分辨率对催化反应过程中催化剂的动态行为进行研究，必然会获得一些传统方法无法获取的新的重要的信息。此外，随着低剂量电子显微学和电子结构分析方法的发展，像iDPC, 4D STEM、电子全息等方法引入原位催化研究，再与原位在线质谱等谱学手段的有机结合，可以获取催化剂的晶体结构、电子结构信息与其催化性能的动态关联，将为催化反应的深入理解带来一些前所未有的新认识，特别是对于一些不耐电子束辐照的催化剂，比如分子筛和MOF材料。
4、AMR：您对这个领域的发展有何种愿景？
王勇教授：
原位催化为多学科交叉的前沿领域，其发展前景有无限可能，特别是在建立催化剂的动态构效关系方面。实现对催化剂构效关系的全面认知是开发高效稳定催化剂的基础。传统的催化剂开发主要采用的研究方法为分时研究方法，即催化剂的设计、合成及性能测试、影响因素分析，再循环迭代。其缺点为研发周期长，而且不同的测试实验分别在不同的仪器上进行，样品也不尽相同，这样很难精准确定影响催化性能的关键因素，将催化剂的显微结构与催化性能直接对应起来。因此，为了更好的应对新时代新型催化剂研发的新挑战，我们需要创新发展出新的研究范式，以期达到更快、更精准的研发。原位环境电镜技术的发展使我们能够在模拟服役状态下，在原子层次实时观测和调控影响催化剂性能的显微结构，同时利用安装在电镜样品杆系统出气口的在线质谱获取反应后的产物信息，原位直接给出催化剂结构与性能之间的动态构效关系，为我们在真实催化反应环境下揭示催化机理和对催化剂表界面活性位点进行原子尺度原位调控和优化设计提供了可能，最终有望真正实现高性能催化剂原子水平的原位设计，助力更快、更精准的新型催化剂研发。
通讯作者简介
浙江大学
材料科学与工程学院
王勇 教授
浙江大学电子显微镜中心主任、材料学院副院长、中国电镜学会常务理事。2001年于湘潭大学物理系获学士学位，2006年获中国科学院物理研究所理学博士学位，导师为张泽院士。2006年-2008年在澳大利亚昆士兰大学材料系从事博士后研究；2009年-2012年在澳大利亚昆士兰大学材料系任ARC项目研究员；2010年-2011年在加州大学洛杉矶分校电子工程系作访问学者；2012年回国加入浙江大学电子显微镜中心任课题组长。王勇教授曾获2008年澳大利亚研究委员会的APD、2013年度香港“求是科学基金会”的杰出青年学者奖及2020年度国家自然科学基金委杰出青年科学基金，曾作为封面人物之一登上了澳大利亚研究委员会2011-2012年度报告封面。王勇教授主要从事利用和发展原位环境透射电镜技术在原子尺度实时研究催化材料在反应气氛环境下的动态演变，揭示其结构与性能的内在关联，致力于研发高效低成本的催化材料。共发表170余篇学术论文，其中Science (2)、Nature Materials (1)、Nature Nanotechnology (3)，40余篇发表在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Phys. Rev. Lett.、PNAS、Nano Lett.、ACS Nano，被引用8300余次，H因子51。课题组主页：https://person.zju.edu.cn/yongwang。
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Toward In Situ Atomistic Design of Catalytic Active Sites via Controlled Atmosphere Transmission Electron Microscopy
Wentao Yuan, Ke Fang, Ruiyang You, Ze Zhang, and Yong Wang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00121
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