在原位加热原子分辨ADF-STEM成像期间，Pt纳米颗粒在SrTiO3 (001) 表面的三维动态结构

为什么微小金属颗粒很重要

催化剂是现代生活中默默无闻的关键工具，帮助净化汽车尾气、制造肥料并将水分解为氢燃料。许多优秀催化剂依赖于位于另一种材料表面的微小贵金属簇，例如铂。科学家知道这些纳米颗粒中只有一小部分原子实际上承担了大部分化学反应，但精确定位这些“热点”在哪里——以及催化剂运行时它们如何变化——一直非常困难。本研究逐原子地展示了单个铂纳米颗粒在高温下如何发生三维变化，并将这些细节直接关联到可能发生催化活性的区域。

以三维观察原子

研究者关注的铂纳米颗粒直径不到两纳米，生长在经过精心制备、呈原子平整的钛酸锶（SrTiO3）晶体上。利用一种名为环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM）的先进电子显微技术，他们记录的图像中更亮的斑点对应于像铂这样原子序数更高的原子。由于这些图像对原子序数极为敏感，每个亮点的强度可用于估算位于特定基底原子柱上方的铂原子的数量。通过将一幅高质量图像与复杂的统计分析相结合，团队成功重建了单个纳米颗粒中263个铂原子位点的完整三维排列，包括它如何附着在氧化物表面上。

在高温环境中追踪移动的原子

真实催化剂在高温且常在反应气氛中工作，原子并非静止不动。为了在不损坏样品的前提下模拟这些条件，团队在显微镜内的极其洁净、低压环境中将铂–氧化物体系加热到约210°C。他们快速采集了同一纳米颗粒的数十张图像并对其求平均，以在保留运动迹象的同时提高信噪比。某些原子位置亮度的细微变化显示，部分铂原子在实验过程中会在相邻位点间跳跃。研究者并未将这类现象视为噪声，而是将那些介于明暗之间的亮度解释为“部分占据”，即某个位点仅在部分时间被占据。这使他们不仅能构建静态的三维模型，还能描绘出纳米颗粒表面原子最易移动的位置图景。

粗糙的表面与特殊的原子邻域

重建出的纳米颗粒看起来像一个小金属穹顶坐落在氧化物晶体上。内部许多原子的邻居数为10到12个，类似于块体金属，但近一半原子位于表面或近表面，拥有更少的邻居。研究者通过计算每个原子的“配位数”——即近邻铂原子的数量——对这一点进行了量化。他们发现约五分之一的原子高度欠配位，邻居数仅为2到6个，反映出粗糙且富含缺陷的表面，而非理想光滑的形状。那些部分占据且最具可动性的位点几乎总是对应这些低配位位置，并在纳米颗粒的某些晶面上形成连通的路径或网络。这表明，在工作条件下，催化活性可能集中沿着这些由柔性、欠键合原子组成的原子尺度网络。

将电荷与活性联系到原子结构

为了了解这些精细结构如何影响化学反应，团队使用了基于密度泛函理论的量子力学计算。他们以实验确定的三维模型为起点，让原子稍微弛豫至能量更低的位置。计算显示，整个纳米颗粒带有微弱的负电荷，这些电荷从氧化物支撑体中被拉走，并在低配位的表面原子处积聚。利用典型的“d带”催化行为模型，他们还发现这些欠配位原子的电子态更容易与分子形成更强的结合，表明催化活性更高。换句话说，那些移动性最大且邻居最少的原子，也正是最可能结合并转化反应物分子的原子。

这对更好催化剂意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是催化剂不能被简单地视为刚性的、理想化的形状。该研究表明，即使单个纳米颗粒也具有复杂且不断变化的原子位点景观，而最活跃的部位是带额外负电荷、欠键合且可移动的原子。通过将详细的三维原子图谱与电子结构和反应性模型直接联系起来，这项工作为设计更好的催化剂提供了路线图：通过调节支撑材料和颗粒形状来产生更多此类特殊位点，稳定它们，并控制它们在反应条件下的运动。

引用: Ishikawa, R., Kubota, R., Kawahara, K. et al. 3D dynamic structure of a Pt nanoparticle on SrTiO₃ (001) during in-situ heating atomic-resolution ADF STEM imaging. Nat Commun 17, 1860 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69767-5

关键词: 铂纳米颗粒催化, 氧化物负载催化剂, 原子尺度成像, 活性位点, 纳米颗粒动力学