重磅Science：实现不可能！ 电子叠层描记法揭示沸石结构和组成的三维不均匀性

一、【导读】

         沸石是铝硅酸盐微孔晶体，具有规则的晶内空腔和分子尺寸通道。沸石的分子筛分能力为吸附、分离和催化提供了非常理想的尺寸和形状选择性。然而，沸石结构的复杂性，容易出现结构和组成不均匀性，严重影响性能。例如，合成条件会影响沸石骨架中功能位点的位置和分布。合成后煅烧产生氧空位，以不受控制的方式呈现路易斯酸位点。多种多晶型物和不同相的共生在沸石晶体中很常见。不均匀性的普遍存在解释了不同批次实验具有相同拓扑结构沸石表现出差异性的原因。尽管沸石的不均匀性已得到广泛认可，但由于缺乏合适的表征技术，相关局部非周期结构的精确测定仍然具有挑战性。

二、【成果掠影】

        结构和组成的不均匀性在沸石中很常见，显著影响性能。横向分辨率、深度分辨率和电子剂量限制了传统透射电子显微镜(TEM)中沸石的局部结构研究。最新的这项研究证明了基于四维扫描TEM (4D-STEM) 数据的多层叠层法可以克服这些限制。从约40nm厚的MFI沸石图像显示出约0.85埃的横向分辨率，能够识别单个骨架氧(O)原子并精确确定吸附分子的方向。此外，~6.6nm深度分辨率可以探测O空位三维分布，以及共生MFI和MEL沸石的相界。4D-STEM Ptychography可以应用于具有类似高电子束灵敏度的其他材料。

      这项由华南理工大学电子显微镜中心张辉教授和阿卜杜拉国王科技大学韩宇教授合作的成果以题为“Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography”的论文发表在Science上。

三、【核心创新点】

• 发现基于低剂量4D-STEM数据电子层叠成像可以达到亚埃分辨率
• 解析了样品厚度高达40nm沸石中的单个氧原子柱
• 绘制了氧空位在整个沸石中分布图
• 对不同沸石相之间复杂的共生结构进行了成像

【数据概览】

图1 iDPC-STEM 和 4D-STEM 拼版印刷术的比较 © 2023 AAAS.

图2 使用4D-STEM ptychography对沸石和吸附物进行亚埃成像 © 2023 AAAS.

图3 ZSM-5 中 O 空位的识别 © 2023 AAAS.

图4 MFI 和 MEL 阶段在三个维度上的共生 © 2023 AAAS.

图5 通过沸石的4D-STEM叠层成像实现的深度分辨率 © 2023 AAAS.

五、【成果启示】

        通过将合金熔体渗透到部分烧结的陶瓷支架中，制造了一种由超细晶粒 AZ91D 镁合金和 Ti₃AlC₂超细片晶组成的轻质、高强度和阻尼金属陶瓷材料。金属相和陶瓷相在金属陶瓷材料的3D空间中是双连续的和相互渗透的，并且像在天然珍珠质中一样以分层方式交替排列。金属陶瓷材料在室温压缩和弯曲条件下均表现出超过1 GPa的高强度，具有358±24MPa/(g cm ^-3)的高比弯曲强度。事实上，新材料的抗弯强度和比抗弯强度超过了大多数其他镁和镁合金、陶瓷和金属陶瓷材料。与AZ91D镁合金相比，这伴随着提高的高温强度、优异的断裂韧性以及在环境温度和高温下增强的阻尼能力。这种良好的性能组合使这种金属陶瓷成为许多结构应用的有吸引力的候选材料，例如需要轻质材料的承重应用以及在高应力水平下减少振动的应用。此外，这里使用的架构设计策略包括超细尺寸的成分，结合珍珠质的金属和陶瓷相排列及其在3D空间中的相互渗透。

原文详情：https:// doi:10.1126/science.adg3183.

本文由早早供稿