Nat.Commun.：金属纳米颗粒中晶界对氢化相转变的调节

【引言】

晶界在固态相变过程中起着至关重要的作用，它们可以增强多晶体内部原子和离子的扩散，同时还作为塑形变形的介质。然而在纳米材料领域，由于纳米颗粒的尺寸极其微小，粒子结构常常被看作是单晶，关于晶界的研究充满了挑战性。近日，有学者研究了Pd纳米颗粒氢化相变过程中晶界的作用，并发现单个纳米粒子晶界长度与类型和其氢化物形成压力之间的关系。

【成果简介】

近日，查尔姆斯理工大学Christoph Langhammer (通讯作者)团队在Nat.Commun.上发布了一篇关于纳米材料的文章，题为“Grain boundary mediated hydriding phase transformations in individual polycrystalline metal nanoparticles”。
作者通过多通道单粒子等离子体纳米光谱，观察到在氢化物分解过程中， 粒子特异性氢化物的形成压力发生了巨大变化。研究结果表明，晶界的长度与类型和氢化物形成压力有着直接关系，晶界附近的氢诱导晶格拉伸应变是控制氢化相变的主要因素。

【图片导读】

图1 样品等离子体纳米光谱

(a) 通过光谱仪的狭缝在暗场照明条件下增强可见光的反向散射，实现多通道单粒子等离子体纳米光谱；

(b) 亮点为一组单独的Pd纳米颗粒;

(c) 电子束从背面进入样品，检测器以传输模式收集菊池衍射图；

(d) 样品TEM图像；

(e) Pd纳米颗粒的TKD晶粒取向图。

图2 有限时域差分（FDTD）模拟

(a) 模拟系统示意图；

(b) 放置Cr镜将向后/向前的散射比增加约一倍;

(c) 向后散射的计算；

(d) Pd纳米盘的暗场散射光谱。

图3 Pd纳米颗粒TEM显微照片

(a) Pd汽化之后的TEM照片；

(b) 氩气中533K退火12h后的TEM照片;

(c) 退火前后测量的光学压力组成等温线；

(d-f) 氢化物成型稳定期压力的显着增加以及双平台特征的出现。

图4 单个Pd纳米颗粒的加氢压力

绿色阴影区域表示氢化物形成和分解等温线中观察到的平台坡度，从图中可以看出，斜率与从单个纳米颗粒观察到的平台压力一致。误差条表示单粒子实验中相变时平台的低压端和高压端之间的压力差。

图5 单个粒子在TEM和TKD下的等温线

(a-h) 通过多通道单粒子等离子体纳米光谱法测量得出的光学p-C等温线；

(l-p) Pd纳米颗粒的TEM图像，晶粒数目和晶粒尺寸有着明显差异;

(q-x) 相同纳米颗粒对应的TKD晶粒取向图。

图6 晶粒结构与加氢压力关系图

(a) 红色圆圈对应于从单个纳米颗粒获得的数据点，蓝色，黑色和绿色代表对应多个粒子数据点的平均平台压力；

(b) 晶界长度与平衡氢化平台压力的函数关系;

(c) 平均晶粒半径与氢化平台压力的函数关系；

(d) 滞后因子与晶界长度的函数关系；

(e) 相同纳米颗粒的TKD图像；

(f) 总晶界长度与氢化平台压力的关系。

【小结】

这篇文章通过多通道等离子体纳米光谱法，观察单个纳米颗粒的晶界。研究表明，氢化物形成和分解平衡压对单个纳米微观结构的依赖有明显的不对称性，同时氢化物形成的压力与颗粒中的晶界长度和晶界类型直接关系。通过分析模型，作者发现由晶界附近的氢吸收而引起的拉伸晶格应变是控制相变吸附的主要因素。

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

本文由材料人编辑部金属学术组金晨供稿，材料牛编辑整理。

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