重磅Science：實現不可能！ 電子疊層描記法揭示沸石結構和組成的三維不均勻性

一、【導讀】

? ? ? ? ?沸石是鋁硅酸鹽微孔晶體，具有規則的晶內空腔和分子尺寸通道。沸石的分子篩分能力為吸附、分離和催化提供了非常理想的尺寸和形狀選擇性。然而，沸石結構的復雜性，容易出現結構和組成不均勻性，嚴重影響性能。例如，合成條件會影響沸石骨架中功能位點的位置和分布。合成后煅燒產生氧空位，以不受控制的方式呈現路易斯酸位點。多種多晶型物和不同相的共生在沸石晶體中很常見。不均勻性的普遍存在解釋了不同批次實驗具有相同拓撲結構沸石表現出差異性的原因。盡管沸石的不均勻性已得到廣泛認可，但由于缺乏合適的表征技術，相關局部非周期結構的精確測定仍然具有挑戰性。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 結構和組成的不均勻性在沸石中很常見，顯著影響性能。橫向分辨率、深度分辨率和電子劑量限制了傳統透射電子顯微鏡(TEM)中沸石的局部結構研究。最新的這項研究證明了基于四維掃描TEM (4D-STEM) 數據的多層疊層法可以克服這些限制。從約40nm厚的MFI沸石圖像顯示出約0.85埃的橫向分辨率，能夠識別單個骨架氧(O)原子并精確確定吸附分子的方向。此外，~6.6nm深度分辨率可以探測O空位三維分布，以及共生MFI和MEL沸石的相界。4D-STEM Ptychography可以應用于具有類似高電子束靈敏度的其他材料。

? ? ? 這項由華南理工大學電子顯微鏡中心張輝教授和阿卜杜拉國王科技大學韓宇教授合作的成果以題為“Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography”的論文發表在Science上。

三、【核心創新點】

• 發現基于低劑量4D-STEM數據電子層疊成像可以達到亞埃分辨率
• 解析了樣品厚度高達40nm沸石中的單個氧原子柱
• 繪制了氧空位在整個沸石中分布圖
• 對不同沸石相之間復雜的共生結構進行了成像

【數據概覽】

圖1 iDPC-STEM 和 4D-STEM 拼版印刷術的比較 ? 2023 AAAS.

圖2 使用4D-STEM ptychography對沸石和吸附物進行亞埃成像 ? 2023 AAAS.

圖3 ZSM-5 中 O 空位的識別 ? 2023 AAAS.

圖4 MFI 和 MEL 階段在三個維度上的共生 ? 2023 AAAS.

圖5 通過沸石的4D-STEM疊層成像實現的深度分辨率 ? 2023 AAAS.

五、【成果啟示】

? ? ? ? 通過將合金熔體滲透到部分燒結的陶瓷支架中，制造了一種由超細晶粒 AZ91D 鎂合金和 Ti₃AlC₂超細片晶組成的輕質、高強度和阻尼金屬陶瓷材料。金屬相和陶瓷相在金屬陶瓷材料的3D空間中是雙連續的和相互滲透的，并且像在天然珍珠質中一樣以分層方式交替排列。金屬陶瓷材料在室溫壓縮和彎曲條件下均表現出超過1 GPa的高強度，具有358±24MPa/(g cm ^-3)的高比彎曲強度。事實上，新材料的抗彎強度和比抗彎強度超過了大多數其他鎂和鎂合金、陶瓷和金屬陶瓷材料。與AZ91D鎂合金相比，這伴隨著提高的高溫強度、優異的斷裂韌性以及在環境溫度和高溫下增強的阻尼能力。這種良好的性能組合使這種金屬陶瓷成為許多結構應用的有吸引力的候選材料，例如需要輕質材料的承重應用以及在高應力水平下減少振動的應用。此外，這里使用的架構設計策略包括超細尺寸的成分，結合珍珠質的金屬和陶瓷相排列及其在3D空間中的相互滲透。

原文詳情：https:// doi:10.1126/science.adg3183.

本文由早早供稿