低维金属纳米材料化学置换反应机理的原位液体环境球差校正透射电子显微学动态研究

Metallic nanomaterials have been widely used in energy, catalytic, sensing and biomedicine. The basic precondition is how to precisely engineering the structures and properties of metallic nanomaterials, which has been one of the most important projects in material science, physics and chemistry that has received extensively attentions. Galvanic replacement reactions are one of the methods to tune the microstructures and properties of metallic nanomaterials. Thus fully understanding of its mechanism has been the key factor to precisely control the microstructures and properties of metallic nanomaterials. In this proposal, the dynamic atomic mechanism of galvanic replacement reactions will be illustrated based on one-dimensional metallic nanowire through the technique of dynamic, real-time, continuous, operando by in-situ liquid cell transform electron microscopic. Three aspects will be included as follows. (1) Ion diffusion and transport in liquid environment. (2) Reaction sites between ion in liquid and atoms in metallic nanowires. (3) Relation between structural defects and orientations in metallic nanowire and the ion reaction direction. Based on these investigations, a picture of the mechanism of galvanic replacement reactions in low-dimensional metallic nanomaterials will be present. This proposal can unveil the underlying mechanism of galvanic replacement reactions in low-dimensional metallic nanomaterials, and can provide valuable experimental data for precisely engineering the structures and properties of metallic nanomaterials, and for further designing low-dimensional metallic nanomaterials with optimized physical and chemical properties.

金属纳米材料在能源、催化、传感以及生物医学领域具有极其广泛的应用，精准调控其微结构与性能是实现上述应用的基本前提，因此如何调控金属纳米材料微结构与性能是材料、物理、化学等领域广泛关注的重要课题之一。化学置换反应是调控金属纳米材料微结构与性能的重要手段之一，理解化学置换反应机制是实现精准调控金属纳米材料微结构与性能的关键。本项目以一维金属纳米线为研究对象，以原位液体环境球差电镜为平台，通过动态、实时、连续、原位的表征，来阐明低维金属纳米材料化学置换反应的动态原子机制。包括：（1）液体环境条件下的离子扩散与输运；（2）液相离子与固相原子作用位点；（3）结构缺陷和取向与离子置换反应取向关系，从而给出低维金属纳米材料化学置换反应机制的物理图像。本项目的执行可以揭示低维金属纳米材料化学置换反应的微观机理，为实现精准调控低维金属纳米材料微结构，设计新型的具有优异性能的低维金属纳米材料提供实验依据。

一、项目背景.金属纳米材料在能源、催化、传感以及生物医学领域具有极其广泛的应用，精准调控其微结构与性能是实现上述应用的基本前提，如何调控金属纳米材料微结构与性能是材料、物理、化学等领域广泛关注的重要课题之一。化学置换反应是调控金属纳米材料微结构与性能的重要手段之一，理解化学置换反应机制是实现精准调控金属纳米材料微结构与性能的关键。..二、主要研究内容.针对液体环境中金属纳米线置换反应机制尚不清楚，原位液体环境透射电子显微学技术可以直接揭示金属纳米线置换反应的微观机制，目前该领域尚未有液体环境条件下的原位透射电子显微学研究。本项目以一维金属纳米线为研究对象，基于原位液体环境透射电子显微学以及原创性原位电子显微学实验平台技术，揭示低维金属纳米材料在液体环境中的置换反应微观机制问题。..三、重要结果及关键数据.基于原位透射电镜设计新型光催化材料，是一种全新的思路。通过原位透射电镜微观结构演变过程，可以提取具有典型特征的微观结构，进而通过离位的手段合成这些具有典型特征的微观结构，同时将基于原位电镜的大尺度材料设计思路耦合小尺度光催化剂，构建大尺度助催化剂与小尺度光催化剂新型复合体系，并拓展该设计思路，进行离位的光催化剂设计。相关的工作发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2019，J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Nat. Comm., Appl. Catal. B: Environ.等国际SCI学术期刊上。..四、科学意义.该研究成果对于推动材料学科，化学学科的发展具有重要的作用。该领域的研究对于推动电子显微学技术，以及化学领域化学反应基本科学问题的探索具有重要的作用。对于创新团队建设，国际前沿电子显微学技术平台搭建，国际材料化学等领域的学术合作，以及科教融合等具有重要的影响。