能量儲存不好辦？納米粒子來幫忙！

材料牛注：工欲善其事，必先利其器，科研手段及工具的進步總是在很大程度上推動著科技的發展。日前，一種新型電子顯微技術取得了長足進展，不僅能夠在觀測樣本中引入非真空因素，而且能夠觀察到化學反應過程中原子的細微變化。

在斯坦福大學中心區地下18英尺的地方有一個名為迪翁的實驗室，該實驗室的科學家們擁有世界最先進的顯微鏡之一，用以捕捉難以想象的微小反應。

實驗室的成員進行了艱巨繁復的實驗：有時他們需要連續工作30個小時去捕捉一些實時、動態可視的原子反應，這些反應可能對提高手機電池持久性及電動汽車單次充電的行駛里程有著巨大作用。

他們在地下隧道狀的實驗室里進行了艱苦的科研工作，并發現了原子在直徑小于100納米的微粒中的進進出出，其分辨率接近1納米。

斯坦福大學材料科學與工程學院副教授兼成果論文（發表于1月16日的 Nature Communications期刊上）的重要作者Jen Dionne 說：“在高分辨率下實時觀測粒子反應，這對我們解決未知的物化難題有著重要意義。這項實驗并不容易，要是在幾十年前沒有如此先進電子顯微鏡的條件下，這項實驗可能根本不能進行。”

他們設計的這項實驗重點是氫進入鈀的過程，一系列插入相轉變的過程。這一反應在物理上與離子流在充電和放電過程中通過電池和燃料電池的反應類似。實時觀察這一反應有助于加深對納米粒子電極相較于塊狀材料電極擁有更優性能這一問題的理解，也與迪翁對充電迅速、儲能巨大、失效較少的能源儲存技術的興趣不謀而合。

復雜的技術及問題

針對這些實驗，迪翁實驗室研制出鈀納米管材料，這是一種只有15~80納米的納米顆粒。他們將這些納米顆粒放入氫氣環境中并用電子顯微鏡觀察。科學家們知道，氫不僅會改變其晶格維度，更能改變這些納米顆粒的電子性能。他們認為，只要顯微鏡的鏡頭和孔徑結構合適，掃描透射電子顯微術及電子能量損失能譜法就能減緩氫的吸收速度。

經過幾個月的試錯，他們得到了較為詳盡的結果，即氫等原子的吸收實時錄像。整個過程實在是過于新穎復雜，以至于第一次進行實驗時，他們都沒有配套的運行軟件，就是用手機進行的第一次拍攝。

在錄制過程中，他們利用顯微鏡第二技術在氫化作用中期檢查了納米管，這種技術即依靠發散電子的暗場成像技術。為了暫停氫化過程，科學家們在反應過程中將納米管投入到液態氮中在100開爾文（-280℉）的溫度下進行冷藏。這一暗場成像圖片可以檢測電子束的作用，且不影響在此之前的觀察，并讓科學家們能夠在反應過程中更詳盡地觀察細微的結構變化。

迪翁實驗室研究生兼這一成果的第一合著者Fariah Hayee回憶說：“在低溫下的平均工作時長高達24個小時，這些儀器在夜間特殊時間段都出現過一些稱為Ai Leen Koh的問題。我們甚至遇到了“操作桿幽靈”的問題：操作桿開始兀自移動樣本，根本不受控制。”

盡管大部分電子顯微鏡的樣品都放置于真空中，這臺顯微鏡卻擁有更獨特的性能，能夠讓科研人員將液體和氣體引入樣品而不受損。

迪翁實驗室博士生、該文第一合著者之一的Tarun Narayan說：“擁有世界上最先進的顯微鏡技術，我們受益匪淺。要是沒有這些工具，我們根本不能將氫氣引入，也不能將樣品充分冷卻，這樣我們就看不到這一反應的發生了。”

缺陷的排出

對原子移動的觀測不僅給可視化技術提供了普適概念，而且滿足了很多科學家對納米顆粒能量儲存技術發展渴求的需要。

科學家們發現，原子在納米管的角落移動進出，而隨著氫的進入，納米顆粒中形成了很多缺陷。這與往常的納米顆粒性質不符，但，這僅僅是冰山一角。

迪翁說：“納米顆粒有自愈合能力：當你第一次引入氫，顆粒發生變形，破壞原有點陣結構；但當顆粒對氫的吸收達到飽和后，它又會回歸原有的完美點陣。”

科研人員稱這種現象為納米顆粒缺陷的“排出”。這一自愈合特性使得納米顆粒持久度更高，而持久度，正是能量儲存材料在反復充放電循環中所需的關鍵性能。

展望未來

隨著可再生能源發電量的提高，人們對能量儲存技術的要求也日益嚴苛。未來的能量存儲技術很有可能要依賴包括精細顯微鏡技術在內的研究成果，它們促使科學家發現的新化學反應，并為不同種類的能量儲存技術提供解決方案。

迪翁實驗室的科學家們有著很多方向可以選擇。他們可以尋找不同的材料組成，研究納米顆粒的形狀大小是怎樣影響它們的工作機理的，亦或是在不久的將來，利用他們更加完善的顯微鏡來研究光催化反應。現如今，Hayee將工作重心轉移到了納米棒的研究上，這些納米棒具有更大的表面積以供離子穿過，從而加快反應進程。

原文鏈接：Nanoscale View of Energy Storage.

文獻鏈接：Direct visualization of hydrogen absorption dynamics in individual palladium nanoparticles.

本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，張文揚編譯，點我加入編輯部。

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