原子尺度原位解析镍纳米颗粒粗化机制：异质外延嵌入结构对催化剂稳定性的调控作用

本研究通过环境扫描透射电镜(STEM)结合原子分辨率二次电子成像技术，首次在还原气氛中实现高温原位观测Ni纳米颗粒从SrTi0.95Ni0.05O3-δ(STNi)钙钛矿中的溶出(exsolution)动态过程。发现异质外延嵌入的NiOx纳米柱可锚定表面Ni颗粒抑制迁移，而"纯净区"颗粒则遵循随机行走动力学迁移。结合DFT计算揭示颗粒运动受载体表面氧调控，为设计抗烧结催化剂提供新思路。

　　

在能源转型背景下，开发高效稳定的非贵金属催化剂是替代碳基能源系统的关键。虽然溶出催化(exsolution)技术能制备高分散金属纳米颗粒，但长期热稳定性仍是重大挑战。传统研究多关注颗粒表面"套接"(socketing)效应，而对载体亚表面缺陷与颗粒动态行为的关联机制认识不足。

德国于利希研究中心(Dylan Jennings等)与多国团队合作，在《Nature Communications》发表突破性成果。研究者选择Ni掺杂钛酸锶(SrTi_0.95Ni_0.05O_3-δ)薄膜模型体系，通过脉冲激光沉积(PLD)制备含NiO_x纳米柱的异质外延薄膜。创新性地采用平面视图(plan-view)样品制备结合环境STEM，在500℃/1Pa H₂条件下实现原子分辨率二次电子成像，首次捕捉到溶出纳米颗粒的迁移与熟化全过程。

关键技术包括：1)反射高能电子衍射(RHEED)监控的PLD薄膜生长；2)微机电系统(MEMS)芯片承载的平面视图样品制备；3)配备二次电子探测器的环境STEM原位观测；4)基于密度泛函理论(DFT)的界面能计算。

薄膜初始表征

高角环形暗场像(HAADF)揭示薄膜中网状分布的NiO_x纳米柱，EDS证实其为富Ni区域。这些直径约5nm的纳米柱在体相中形成共格嵌入结构，不同于传统表面析出物。

原位溶出动态

400℃开始出现两种颗粒群："纳米柱关联型"（直径较大且密度稳定）和"纯净型"（易迁移）。高分辨成像显示前者具有立方-立方(cube-on-cube)外延关系，后者则呈现典型金属表面台阶。

迁移机制解析

定量追踪显示纯净型颗粒符合随机行走模型（扩散系数D_NP=0.4?²s^-1@500℃）。DFT计算揭示载体表面氧原子向Ni颗粒偏移（界面能-0.84eV/原子），使颗粒伸长运动的能量壁垒降低50%。

熟化过程观测

发现小颗粒溶解后会在载体表面形成富Ni区（SE成像亮斑），证实原子尺度质量传输是Ostwald熟化的主要途径。但纳米柱关联型颗粒因亚表面锚定作用表现出更强抗熟化能力。

该研究建立了溶出催化剂设计的全新范式：1)异质外延嵌入的纳米柱可作为"钉扎中心"抑制颗粒迁移；2)载体表面氧化学态调控颗粒润湿行为；3)原子分辨率二次电子成像为催化动态研究开辟新途径。这些发现对开发燃料电池、甲烷重整等高温催化系统具有重要指导价值，相关方法学突破还可拓展至其他金属-氧化物体系的研究。