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金属羟基氧化物应用广泛，但原子尺度结构表征困难。研究人员针对氢氧化钛（MA）纳米颗粒开展数据驱动晶格关联分析研究，发现其具有类锐钛矿结构，该成果有助于理解其作为前驱体的作用，为相关应用设计提供依据。
在材料科学的微观世界里，金属羟基氧化物（Metal oxyhydroxides）就像一群隐藏着巨大能量的 “小精灵”，它们在催化、吸附以及作为金属氧化物前驱体等诸多领域发挥着关键作用。想象一下，在化工生产中，它们作为催化剂能加速化学反应的进程；在污水处理里，它们又像神奇的 “清洁工”，利用吸附能力去除水中的污染物；而在材料制备方面，它们作为前驱体，更是决定了最终材料的性能。然而，这些 “小精灵” 的内部原子排列方式却一直是个谜。由于它们结构类型多样、尺寸处于纳米级别，并且对电子束敏感，传统的分析方法很难精确地描绘出它们的原子尺度结构，这就好比在黑暗中摸索，始终找不到那盏照亮真相的灯，极大地限制了人们对它们性能的深入理解和应用的拓展。
为了揭开这个神秘的面纱，日本先进科学技术研究所（Japan Advanced Institute of Science and Technology）的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于氢氧化钛（MA，metatitanic acid）纳米颗粒，开展了一项极具创新性的数据驱动晶格关联分析研究。研究发现，MA 纳米颗粒具有类似锐钛矿的结构，是由二氧化钛（TiO2）和氢氧化钛（Ti(OH)4）平面交替堆叠而成。这一发现意义重大，就像找到了一把开启宝藏的钥匙，有助于深入理解 MA 纳米颗粒作为亚稳锐钛矿TiO2前驱体的关键作用，为后续材料性能的研究和应用设计提供了重要的理论依据。该研究成果发表在《Communications Chemistry》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。其中，透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）发挥了关键作用，它们能够获取原子尺度的图像信息。通过将 MA 纳米颗粒分散在碳支持膜上进行观察，获取了大量不同区域、不同取向的纳米颗粒图像。此外，密度泛函理论（DFT）计算也不可或缺，它从理论层面验证并支持了实验所提出的结构模型，使研究结果更加可靠。
下面来详细看看研究结果：
- MA 纳米颗粒的原子分辨成像：对商业 MA 粉末样品进行（S）TEM 观察，发现初级 MA 纳米颗粒为几纳米大小的单晶颗粒。其原子排列呈现哑铃状的 Ti 原子柱，与锐钛矿结构从 [010] 方向观察的投影图案相似，但 Ti 哑铃存在不对称强度，且出现了在锐钛矿中未有的 002 斑点，部分区域原子柱强度较弱，可能是由于缺陷导致。
- 数据驱动晶格关联分析：从 1311 个纳米颗粒的 FFT 图案中获取晶格间距和角度等结构信息。MA 纳米颗粒长轴长度峰值约为 5.1nm，纵横比峰值约为 1.3 。晶格间距在约 190pm、240pm、350pm 和 480pm 处出现局部最大值，分别对应锐钛矿结构的（200）、（004）、（101）和（002）平面。通过分析不同晶格间距和角度的相关性，进一步揭示了 MA 纳米颗粒与锐钛矿结构的异同。
- MA 纳米颗粒的晶体结构模型：基于实验结果，提出 MA 纳米颗粒的结构模型，即TiO2和Ti(OH)4平面沿 [001] 方向交替堆叠，单位晶胞在 a、b、c 轴方向是锐钛矿TiO2的两倍。
- 理论计算验证：DFT 计算结果表明优化后的结构在理论上是稳定的，属于四方晶系，晶格参数与锐钛矿结构匹配度高，模拟的 STEM 图像也与实验图像相符，同时发现Ti(OH)4平面中 H 元素形成的氢键对结构稳定起到重要作用。
在研究结论和讨论部分，研究人员还探讨了电子辐照对样品结构的影响。发现该研究中的剂量率远低于以往报道中引起结构变化的剂量率，因此在观察过程中 MA 纳米颗粒的辐照损伤可忽略不计。与其他技术相比，该研究采用的数据驱动晶格关联分析方法，结合 TEM 高空间分辨率和电子与材料高相互作用的优势，能够在纳米尺度对有缺陷的材料进行分析，并且具有统计可靠性高和减少电子束损伤的优点，这是传统方法难以实现的。
这项研究成功揭示了 MA 纳米颗粒的三维原子结构，为金属羟基氧化物的结构研究提供了新的思路和方法。就像在黑暗中点亮了一盏明灯，照亮了人们深入了解这类材料的道路，为后续进一步拓展金属羟基氧化物在各个领域的应用奠定了坚实基础，有望推动相关领域取得更多创新性的成果。
