Nat.Commun.：金屬納米顆粒中晶界對氫化相轉變的調節

【引言】

晶界在固態相變過程中起著至關重要的作用，它們可以增強多晶體內部原子和離子的擴散，同時還作為塑形變形的介質。然而在納米材料領域，由于納米顆粒的尺寸極其微小，粒子結構常常被看作是單晶，關于晶界的研究充滿了挑戰性。近日，有學者研究了Pd納米顆粒氫化相變過程中晶界的作用，并發現單個納米粒子晶界長度與類型和其氫化物形成壓力之間的關系。

【成果簡介】

近日，查爾姆斯理工大學Christoph Langhammer (通訊作者)團隊在Nat.Commun.上發布了一篇關于納米材料的文章，題為“Grain boundary mediated hydriding phase transformations in individual polycrystalline metal nanoparticles”。
作者通過多通道單粒子等離子體納米光譜，觀察到在氫化物分解過程中， 粒子特異性氫化物的形成壓力發生了巨大變化。研究結果表明，晶界的長度與類型和氫化物形成壓力有著直接關系，晶界附近的氫誘導晶格拉伸應變是控制氫化相變的主要因素。

【圖片導讀】

圖1 樣品等離子體納米光譜

(a) 通過光譜儀的狹縫在暗場照明條件下增強可見光的反向散射，實現多通道單粒子等離子體納米光譜；

(b) 亮點為一組單獨的Pd納米顆粒;

(c) 電子束從背面進入樣品，檢測器以傳輸模式收集菊池衍射圖；

(d) 樣品TEM圖像；

(e) Pd納米顆粒的TKD晶粒取向圖。

圖2 有限時域差分（FDTD）模擬

(a) 模擬系統示意圖；

(b) 放置Cr鏡將向后/向前的散射比增加約一倍;

(c) 向后散射的計算；

(d) Pd納米盤的暗場散射光譜。

圖3 Pd納米顆粒TEM顯微照片

(a) Pd汽化之后的TEM照片；

(b) 氬氣中533K退火12h后的TEM照片;

(c) 退火前后測量的光學壓力組成等溫線；

(d-f) 氫化物成型穩定期壓力的顯著增加以及雙平臺特征的出現。

圖4 單個Pd納米顆粒的加氫壓力

綠色陰影區域表示氫化物形成和分解等溫線中觀察到的平臺坡度，從圖中可以看出，斜率與從單個納米顆粒觀察到的平臺壓力一致。誤差條表示單粒子實驗中相變時平臺的低壓端和高壓端之間的壓力差。

圖5 單個粒子在TEM和TKD下的等溫線

(a-h) 通過多通道單粒子等離子體納米光譜法測量得出的光學p-C等溫線；

(l-p) Pd納米顆粒的TEM圖像，晶粒數目和晶粒尺寸有著明顯差異;

(q-x) 相同納米顆粒對應的TKD晶粒取向圖。

圖6 晶粒結構與加氫壓力關系圖

(a) 紅色圓圈對應于從單個納米顆粒獲得的數據點，藍色，黑色和綠色代表對應多個粒子數據點的平均平臺壓力；

(b) 晶界長度與平衡氫化平臺壓力的函數關系;

(c) 平均晶粒半徑與氫化平臺壓力的函數關系；

(d) 滯后因子與晶界長度的函數關系；

(e) 相同納米顆粒的TKD圖像；

(f) 總晶界長度與氫化平臺壓力的關系。

【小結】

這篇文章通過多通道等離子體納米光譜法，觀察單個納米顆粒的晶界。研究表明，氫化物形成和分解平衡壓對單個納米微觀結構的依賴有明顯的不對稱性，同時氫化物形成的壓力與顆粒中的晶界長度和晶界類型直接關系。通過分析模型，作者發現由晶界附近的氫吸收而引起的拉伸晶格應變是控制相變吸附的主要因素。

文獻鏈接：Grain boundary mediated hydriding phase transformations in individual polycrystalline metal nanoparticles (Nat.Commun., 20 October, 2017 , DOI: 10.1038/s41467-017-00879-9）

本文由材料人編輯部金屬學術組金晨供稿，材料牛編輯整理。

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