球差校正扫描透射电子显微镜(ac-STEM)探测单原子催化中的活性中心

doi:10.1016/S1872-2067(17)62900-0

摘要/Abstract

摘要：

近年来，"单原子催化"逐渐得到人们的认可与关注，成为催化领域新的前沿与热点之一.高分辨扫描透射电子显微镜（STEM），特别是带有球差校正（ac）的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（ac-STEM-HAADF）是唯一能够直接"看到"催化剂中单个原子的工具.在单原子催化的发现、单原子催化剂的开发、催化剂制备的优化、以及单原子催化机理的理解方面具有举足轻重的、甚至是不可替代的作用.本文首先简述了早期的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）逐步发展成目前的ac-STEM-HAADF的过程以及过程中各种电镜在单原子观察中的功能.然后综述了ac-STEM在单原子成像、检测单原子分散度及改进催化剂制备参数、检测单原子催化剂中单原子的配位及催化活性中心中的应用及其机遇与挑战.
1990年代后期在透镜相差校正领域技术的突破使STEM的分辨率显著提高，因此STEM的单原子成像灵敏度得到明显改善，因而能够对实用催化剂中的单个重原子进行具有很好相衬度的常规检测.2000年代末期刘景月课题组开始进行系统的单原子催化剂合成与表征，表明ac-STEM-HAADF毫无疑问地能够进行实用催化剂中的单个金属原子的常规检测.随后与张涛课题组合作启动了一项采用简便可放大的共沉淀法制备单原子催化剂的项目并取得成功.相比于光谱表征提供样品平均与整体信息，电子显微镜能够提供具有空间分辨的局部信息.对于含有从微米到纳米不同级别不均一性的多相催化剂而言，该技术尤其具有价值.
除了能够提供负载金属单原子的空间分布与分散度信息外，如果载体是晶体，ac-STEM-HAADF还能够提供每个金属原子相对于载体表面的空间配位信息.而对于非晶载体例如活性炭、无定型氧化硅等，则以上信息全部丢失，只能提供负载金属原子的空间分布与分散度信息.
电子显微镜面临的最主要挑战在于电子束辐射效应：高能电子与样品作用会导致表面金属原子的迁移、表面官能团的消失或改变以及损坏样品等；还会引起环境电镜中气体的离子化.对于大多数催化剂而言，采用低能量电子束能够有效减少电子束辐射影响.由于电子束影响，目前还难以对单原子催化剂进行X射线能量色散谱和电子能量损失谱的常规检测，需要开发更加高效的检测器.此外，电子显微镜只提供三维材料的二维投影，因此在成像过程中不但三维信息丢失，而且对二维投影的解释也具有挑战，因此需要开发具有原子分辨率的三维成像技术.为了更好理解催化剂的制备和催化反应过程，也亟需发展具有单原子分辨率的环境电镜.

关键词: 单原子催化, 球差校正扫描透射电子显微镜, 探测, 活性中心

刘景月. 球差校正扫描透射电子显微镜(ac-STEM)探测单原子催化中的活性中心[J]. 催化学报, 2017, 38(9): 1460-1472.

Jingyue (Jimmy) Liu. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy in single-atom catalysis:Probing the catalytically active centers[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(9): 1460-1472.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62900-0

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I9/1460

参考文献

[1] A. V. Crewe, J. Wall, J. Langmore, Science, 1970, 168, 1338-1340.
[2] J. Wall, J. Langmore, M. Isaacson, A. V. Crewe, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1974, 71, 1-5.
[3] M. Isaacson, D. Kopf, M. Utlaut, N. W. Parker, A. V. Crewe, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1977, 74, 1802-1806.
[4] M. M. J. Treacy, A. Howie, C. J. Wilson, Philos. Mag. A, 1978, 38, 569-585.
[5] A. Howie, J. Microsc., 1979, 117, 11-23.
[6] M. M. J. Treacy, S. B. Rice, J. Microsc., 1989, 156, 211-234.
[7] S. B. Rice, J. Y. Koo, M. M. Disko, M. M. J. Treacy, Ultramicroscopy, 1990, 34, 108-118.
[8] J. Liu, J. M. Cowley, Ultramicroscopy, 1990, 34, 119-128.
[9] J. Liu, Microsc. Microanal., 2004, 10, 55-76.
[10] J. Liu, J. Electron Microsc., 2005, 54, 251-278.
[11] J. Liu, ChemCatChem, 2011, 3, 934-948.
[12] P. D. Nellist, S. J. Pennycook, Science, 1996, 274, 413-415.
[13] B. T. Qiao, A. Q. Wang, X. F. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. T. Cui, J. Y. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.
[14] J. Lu, C. Aydin, N. D. Browning, B. C. Gates, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 5842-5846.
[15] J. Lin, A. Q. Wang, B. T. Qiao, X. Y. Liu, X. F. Yang, X. D. Wang, J. X. Liang, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15314-15317.
[16] M. Yang, L. F. Allard, M. Flytzani-Stephanopoulos, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 3768-3771.
[17] M. Moses-DeBusk, M. Yoon, L. F. Allard, D. R. Mullins, Z. L. Wu, X. F. Yang, G. Veith, G. M. Stocks, C. K. Narula, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 12634-12645.
[18] H. S. Wei, X. Y. Liu, A. Q. Wang, L. L. Zhang, B. T. Qiao, Y. F. Yang, Y. Q. Huang, S. Miao, J. Y. Liu, T. Zhang, Nat. Commun., 2014, 5, 5634.
[19] B. T. Qiao, J. X. Liang, A. Q. Wang, C. Q. Xu, J. Li, T. Zhang, J. Y. Liu, Nano Res., 2015, 8, 2913-2924.
[20] M. Yang, J. L. Liu, S. Lee, B. Zugic, J. Huang, L. F. Allard, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 3470-3473.
[21] J. Y. Liu, ACS Catal., 2017, 7, 34-59.
[22] J. D. Kistler, N. Chotigkrai, P. Xu, B. Enderle, P. Praserthdam, C. Y. Chen, N. D. Browning, B. C. Gates, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 8904-8907.
[23] J. C. Matsubu, V. N. Yang, P. Christopher, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 3076-3084.
[24] M. Haider, H. Rose, S. Uhlemann, E. Schwan, B. Kabius, K. Urban, Ultramicroscopy, 1998, 75, 53-60.
[25] M. Haider, S. Uhlemann, E. Schwan, H. Rose, B. Kabius, K. Urban, Nature, 1998, 392, 768-769.
[26] O. L. Krivanek, N. Dellby, A. J. Spence, R. A. Camps, L. M. Brown, Electron Microsc. Anal., 1997, 153, 35-40.
[27] O. L. Krivanek, N. Dellby, A. R. Lupini, Ultramicroscopy, 1999, 78, 1-11.
[28] O. L. Krivanek, M. F. Chisholm, V. Nicolosi, T. J. Pennycook, G. J. Corbin, N. Dellby, M. F. Murfitt, C. S. Own, Z. S. Szilagyi, M. P. Oxley, S. T. Pantelides, S. J. Pennycook, Nature, 2010, 464, 571-574.
[29] (a) J. Liu, Microsc. Microanal., 2007, 13(Suppl 2), 544-545; (b) J. Liu, J. Wang, L. F. Allard, Microsc. Microanal., 2008, 14(Suppl 2), 262-263; (c) J. Liu, L. F. Allard, Proc 21st NAM Meeting, 2008; (d) J. Liu, L. F. Allard, Microsc. Microanal., 2009, 15(Suppl 2), 1486-1487; (e) J. Liu, J. Braddock-Wilking, L. F. Allard, Microsc. Microanal., 2009, 15(Suppl 2), 688-689; (f) J. Liu, L. F. Allard, Mi-crosc. Microanal., 2011, 17(Suppl 2), 1282-1283.
[30] L. F. Allard, A. Borisovich, W. Deng, R. Si, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, S. H. Overbury, J. Electron Microsc., 2009, 58, 199-212.
[31] M. Flytzani-Stephanopoulos, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 783-792.
[32] B. T. Qiao, J. X. Liu, Y. G. Wang, Q. Lin, X. Liu, A. Wang, J. Li, T. Zhang, J. Liu, ACS Catal., 2015, 5, 6249-6254.
[33] Y. Pan, N. Nilius, H. J. Freund, J. Paier, C. Penschke, C. J. Sauer, Phys. Rev. Lett., 2013, 111, 206101/1-206101/5.
[34] G. Pacchioni, H. Freund, Chem. Rev., 2012, 113, 4035-4072.
[35] G. Kyriakou, M. B. Boucher, A. D. Jewell, E. A. Lewis, T. J. Lawton, A. E. Baber, H. L. Tierney, M. Flytzani-Stephanopoulos, E. C. H. Sykes, Science, 2012, 335, 1209-1212.
[36] Y. Zhai, D. Pierre, R. Si, W. Deng, P. Ferrin, A. U. Nilekar, G. Peng, J. A. Herron, D. C. Bell, H. Saltsburg, M. Mavrikakis, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, Science, 2010, 329, 1633-1636.
[37] Y. Lou, J. Liu, Ind. Eng. Chem. Res., 2017, 56, 6916-6925.
[38] J. M. Thomas, R. Raja, D. W. Lewis, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6456-6482.
[39] J. D. Kistler, N. Chotigkrai, P. Xu, B. Enderle, P. Praserthdam, C. Y. Chen, N. D. Browning, B. C. Gates, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 8904-8907.
[40] P. Xu, J. Lu, C. Aydin, L. M. Debefve, N. D. Browning, C. Y. Chen, B. C. Gates, Microporous Mesoporous Mater., 2015, 213, 95-99.
[41] D. H. Deng, X. Q. Chen, L. Yu, X. Wu, Q. F. Liu, Y. Liu, H. X. Yang, H. F. Tian, Y. F. Hu, P. P. Du, R. Si, J. H. Wang, X. J. Cui, H. B. Li, J. P. Xiao, T. Xu, J. Deng, F. Yang, P. N. Duchesne, P. Zhang, J. G. Zhou, L. T. Sun, J. Li, X. L. Pan, X. H. Bao, Sci. Adv., 2015, 1, e1500462/1-e1500462/9.
[42] X. G. Li, W. T. Bi, L. Zhang, S. Tao, W. S. Chu, Q. Zhang, Y. Luo, C. Z. Wu, Y. Xie, Adv. Mater., 2016, 28, 2427-2431.
[43] J. Deng, H. B. Li, J. P. Xiao, Y. C. Tu, D. H. Deng, H. X. Yang, H. F. Tian, J. Q. Li, P. J. Ren, X. H. Bao, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594-1601.
[44] Y. J. Gong, Z. Liu, A. R. Lupini, G. Shi, J. H. Lin, S. Najmaei, Z. Lin, A. L. Elías, A. Berkdemir, G. You, H. Terrones, M. Terrones, R. Vajtai, S. T. Pantelides, S. J. Pennycook, J. Lou, W. Zhou, P. M. Ajayan, Nano Lett., 2014, 14, 442-449.
[45] J. Perez-Ramirez, G. Vile, D. Albani, M. Nachtegaal, Z. Chen, D. Don-tsova, M. Antonietti, N. Lopez, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11265-11269.
[46] L. L. Zhang, A. Q. Wang, W. T. Wang, Y. Q. Huang, X. Y. Liu, S. Miao, J. Y. Liu, T. Zhang, ACS Catal., 2015, 5, 6563-6572.
[47] R. F. Egerton, Microsc. Microanal., 2013, 19, 479-486.
[48] R. F. Egerton, Ultramicroscopy, 2014, 145, 85-93.
[49] L. Zhao, R. He, K. T. Rim, T. Schiros, K. S. Kim, H. Zhou, C. Gutiérrez, S. P. Chockalingam, C. J. Arguello, L. Pálová, D. Nordlund, M. S. Hy-bersen, D. R. Reichman, T. F. Heinz, P. Kim, A. Pinczuk, G. W. Flynm, A. N. Pasupathy, Science, 2011, 333, 999-1003.
[50] W. Zhou, M. D. Kapetanakis, M. P. Prange, S. T. Pantelides, S. J. Pennycook, J. C. Idrobo, Phys. Rev. Lett., 2012, 109, 206803/1-206803/5.
[51] J. H. Warner, Y. C. Lin, K. He, M. Koshino, K. Suenaga, ACS Nano, 2014, 8, 11806-11815.
[52] O. L. Krivanek, T. C. Lovejoy, N. Dellby, T. Aoki, R. W. Carpenter, P. Rez, E. Soignard, J. Zhu, P. E. Batson, M. J. Lagos, R. F. Egerton, P. A., Crozier. Nature, 2014, 514, 209-212.
[53] M. J. Lagos, A. Trügler, U. Hohenester, P. E. Batson. Nature, 2017, 543, 529-532.
[54] P. A. Midgley, E. P. W. Ward, A. B. Hungria, J. M. Thomas, Chem. Soc. Rev., 2007, 36, 1477-1494.
[55] H. Friedrich, P. E. de Jongh, A. J. Verkleij, K. P. de Jong, Chem. Rev., 2009, 109, 1613-1629.
[56] P. A. Midgley, R. E. Dunin-Borkowski, Nat. Mater., 2009, 8, 271-280.
[57] L. F. Allard, S. H. Overburg, W. C. Bigelow, M. B. Katz, D. P. Nack-ashi, J. Damiano, Microsc. Microanal., 2012, 18, 656-666.
[58] L. F. Allard, S. Duan, J. Liu, Microsc. Microanal., 2016, 22(S2), 876-877.
[59] E. D. Boyes, P. L. Gai, Comp. Rend. Phys., 2014, 15, 200-213.
[60] P. L. Gai, L. Lari, M. R. Ward, E. D. Boyes, Chem. Phys. Lett., 2014, 592, 355-359.
[61] J. Xu, Y. Song, H. Wu, J. Liu, Microsc. Microanal., 2017, 23(S1), 484-485.
[62] Y. H. Zhu, Y. Pan, Z. P. Lai, C. E. Hsiung, K. Yao, I. Pinnau, Y. Han, J. Ciston, B. Zheng, X. Miao, R. Sougrat, C. Czarnik, M. Pan, Nat. Ma-ter., 2017, 16, 532-536.