中國科大實現(xiàn)固相離子遷移的原位可視化研究
離子遷移是一種化學反應過程，即陽離子通過陰離子晶格或金屬氧化物晶格的輸運過程，深入研究離子遷移機制對開發(fā)高性能器件具有重要意義。目前，離子遷移通常伴隨著電荷和質(zhì)量轉移，非常類似于生物突觸系統(tǒng)中的Ca2+的輸運，在很多器件中發(fā)揮重要作用，如鋰離子電池、鈣鈦礦太陽能電池、電致變色器件和憶阻器件等。理解離子遷移機制并合理控制離子傳輸過程將改善提高器件的性能。然而固相離子遷移過程復雜且較難追蹤，發(fā)展新表征方法實現(xiàn)在原子尺度上原位研究具有納米間隙的組裝體結構之間的離子遷移仍然是未知的挑戰(zhàn)?；瘜W透射電子顯微鏡（ChemTEM）是一種新興技術，可以利用電子束在成像同時觸發(fā)化學反應實現(xiàn)原位研究。通過調(diào)節(jié)電子束劑量等參數(shù)可以很好地控制化學反應的類型和速率以及鍵解離。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與上海交通大學鄔劍波教授以及中科大工程學院倪勇教授等開展多方合作，提出并設計了一種利用原位ChemTEM方法定量研究共組裝納米線之間的固相離子遷移過程的新策略（圖1）。相關成果以“Real-time visualization of solid-phase ion migration kinetics on nanowire monolayer”為題發(fā)表在《美國化學會志》雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (17), 7968-7975）。
圖1. 原位表征有序納米線的離子遷移過程。（a）原位表征示意圖；（b）納米線共組裝結構；（c）Ag離子的動態(tài)遷移過程。
研究人員以Te和Ag納米線共組裝結構為模型，利用原位“ChemTEM”技術從原子尺度研究固相Ag離子的動態(tài)遷移過程。通過對Ag離子在納米線內(nèi)部和納米線之間的遷移過程的追蹤，發(fā)現(xiàn)Ag離子可以通過Te納米結構的(101)表面嵌入晶格，揭示了Ag在單層Te 納米線陣列上的各向異性遷移行為(圖2)。此外，基于對實驗數(shù)據(jù)的分析和相場建模，Ag離子在納米線表面的遷移速率快于本體相的遷移速率，并導致形成錐形核殼結構。同時，觀察到相鄰納米線之間連接“橋”，證實了Ag離子跨尺度遷移的路徑。
圖2. (a) 納米線內(nèi)部離子遷移示意圖；(b-e) Te納米線結構變化過程；(f) 相場模擬離子遷移過程。
此外，研究人員還將此研究策略拓展到其他材料體系，如：Ag離子在Se @ Te核殼納米線上的遷移和Cu離子在Te納米線上的遷移過程。研究結果表明，這種原位表征技術及固相離子遷移機制具有廣泛的適用性。
該研究提出了各向異性納米組裝結構上固相離子遷移動力學機制，有助于定制和制備新穎的異質(zhì)納米結構，同時為探索不同納米材料體系中的離子遷移過程提供了一種新方法。
該項研究受到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學中心等項目的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02137
（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）
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