能量储存不好办？纳米粒子来帮忙！

材料牛注：工欲善其事，必先利其器，科研手段及工具的进步总是在很大程度上推动着科技的发展。日前，一种新型电子显微技术取得了长足进展，不仅能够在观测样本中引入非真空因素，而且能够观察到化学反应过程中原子的细微变化。

在斯坦福大学中心区地下18英尺的地方有一个名为迪翁的实验室，该实验室的科学家们拥有世界最先进的显微镜之一，用以捕捉难以想象的微小反应。

实验室的成员进行了艰巨繁复的实验：有时他们需要连续工作30个小时去捕捉一些实时、动态可视的原子反应，这些反应可能对提高手机电池持久性及电动汽车单次充电的行驶里程有着巨大作用。

他们在地下隧道状的实验室里进行了艰苦的科研工作，并发现了原子在直径小于100纳米的微粒中的进进出出，其分辨率接近1纳米。

斯坦福大学材料科学与工程学院副教授兼成果论文（发表于1月16日的 Nature Communications期刊上）的重要作者Jen Dionne 说：“在高分辨率下实时观测粒子反应，这对我们解决未知的物化难题有着重要意义。这项实验并不容易，要是在几十年前没有如此先进电子显微镜的条件下，这项实验可能根本不能进行。”

他们设计的这项实验重点是氢进入钯的过程，一系列插入相转变的过程。这一反应在物理上与离子流在充电和放电过程中通过电池和燃料电池的反应类似。实时观察这一反应有助于加深对纳米粒子电极相较于块状材料电极拥有更优性能这一问题的理解，也与迪翁对充电迅速、储能巨大、失效较少的能源储存技术的兴趣不谋而合。

复杂的技术及问题

针对这些实验，迪翁实验室研制出钯纳米管材料，这是一种只有15~80纳米的纳米颗粒。他们将这些纳米颗粒放入氢气环境中并用电子显微镜观察。科学家们知道，氢不仅会改变其晶格维度，更能改变这些纳米颗粒的电子性能。他们认为，只要显微镜的镜头和孔径结构合适，扫描透射电子显微术及电子能量损失能谱法就能减缓氢的吸收速度。

经过几个月的试错，他们得到了较为详尽的结果，即氢等原子的吸收实时录像。整个过程实在是过于新颖复杂，以至于第一次进行实验时，他们都没有配套的运行软件，就是用手机进行的第一次拍摄。

在录制过程中，他们利用显微镜第二技术在氢化作用中期检查了纳米管，这种技术即依靠发散电子的暗场成像技术。为了暂停氢化过程，科学家们在反应过程中将纳米管投入到液态氮中在100开尔文（-280℉）的温度下进行冷藏。这一暗场成像图片可以检测电子束的作用，且不影响在此之前的观察，并让科学家们能够在反应过程中更详尽地观察细微的结构变化。

迪翁实验室研究生兼这一成果的第一合著者Fariah Hayee回忆说：“在低温下的平均工作时长高达24个小时，这些仪器在夜间特殊时间段都出现过一些称为Ai Leen Koh的问题。我们甚至遇到了“操作杆幽灵”的问题：操作杆开始兀自移动样本，根本不受控制。”

尽管大部分电子显微镜的样品都放置于真空中，这台显微镜却拥有更独特的性能，能够让科研人员将液体和气体引入样品而不受损。

迪翁实验室博士生、该文第一合著者之一的Tarun Narayan说：“拥有世界上最先进的显微镜技术，我们受益匪浅。要是没有这些工具，我们根本不能将氢气引入，也不能将样品充分冷却，这样我们就看不到这一反应的发生了。”

缺陷的排出

对原子移动的观测不仅给可视化技术提供了普适概念，而且满足了很多科学家对纳米颗粒能量储存技术发展渴求的需要。

科学家们发现，原子在纳米管的角落移动进出，而随着氢的进入，纳米颗粒中形成了很多缺陷。这与往常的纳米颗粒性质不符，但，这仅仅是冰山一角。

迪翁说：“纳米颗粒有自愈合能力：当你第一次引入氢，颗粒发生变形，破坏原有点阵结构；但当颗粒对氢的吸收达到饱和后，它又会回归原有的完美点阵。”

科研人员称这种现象为纳米颗粒缺陷的“排出”。这一自愈合特性使得纳米颗粒持久度更高，而持久度，正是能量储存材料在反复充放电循环中所需的关键性能。

展望未来

随着可再生能源发电量的提高，人们对能量储存技术的要求也日益严苛。未来的能量存储技术很有可能要依赖包括精细显微镜技术在内的研究成果，它们促使科学家发现的新化学反应，并为不同种类的能量储存技术提供解决方案。

迪翁实验室的科学家们有着很多方向可以选择。他们可以寻找不同的材料组成，研究纳米颗粒的形状大小是怎样影响它们的工作机理的，亦或是在不久的将来，利用他们更加完善的显微镜来研究光催化反应。现如今，Hayee将工作重心转移到了纳米棒的研究上，这些纳米棒具有更大的表面积以供离子穿过，从而加快反应进程。

原文链接：Nanoscale View of Energy Storage.

文献链接：Direct visualization of hydrogen absorption dynamics in individual palladium nanoparticles.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，张文扬编译，点我加入编辑部。

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