負載型Pt納米晶體是一種重要的氧還原反應的催化劑，但由于Pt的高成本和稀缺性極大程度限制了它們的廣泛應用。研究發現，Pt基金屬間化合物(IMC)具有更強的配體和應變效應從而表現出更好的活性和穩定性。因此，引入過渡金屬元素形成結構有序的Pt基金屬間化合物可以在實現降低成本的同時提高其催化活性。制備金屬間化合物普遍需要高溫退火，然而高溫處理易導致顆粒團聚及混合的有序-無序物相，導致催化性能下降。如何實現顆粒尺寸和原子有序度的平衡以實現催化性能的最大化是金屬間化合物研究中的一大挑戰。金屬間化合物的形成過程是一個動態且復雜的過程，傳統的研究方法通常在退火后分析化合物的形成，這極大地限制了科學工作者在原子尺度上研究退火過程中金屬間化合物的結構演變機制及明確高溫退火的作用。為此，中國科學技術大學林岳教授、童磊副研究員及上海硅酸鹽研究所許鈁鈁研究員等人報道了在工業相關的浸漬合成框架中，借助原位球差校正高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡技術對PtFe金屬間化合物在高溫退火過程中的形成機制進行原子級追蹤。 本文的研究主要依托原位球差校正高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(AC-HAADF-STEM) 技術來觀察和分析，在原子尺度實時跟蹤原子的運動和金屬間化合物的形成，從而捕捉到金屬間化合物形成的詳細過程。文章描述了以下幾個關鍵方面：1.原位球差電鏡技術：研究采用先進的原位球差電鏡技術，在樣品加熱過程中實時監測Pt、Fe原子的運動。經過精確的溫控熱退火處理，并通過原位觀測技術記錄了形成過程中的Pt、Fe的原子行為。2.原子級形成機制：在原子尺度實時跟蹤觀察到了隨著溫度升高金屬間化合物形成的五個不同階段（圖1），包括初期的Pt和Fe原子分散前驅體、Pt團簇形成、Pt-Fe無序合金化、結構有序的Pt3Fe形成以及通過Fe擴散最終轉化為穩定的PtFe金屬間化合物。原位同步輻射結果也證實了相應的相轉變過程。這些結果揭示了PtFe金屬間化合物隨溫度變化的原子級形成機制。 3.元素分布原位追蹤：借助原位能量色散譜（EDS）技術，本文詳細探討了PtFe金屬間化合物形成過程中的元素分布變化（圖2）。初始Pt和Fe原子隨機分布于載體，當加熱時Pt原子開始遷移形成原子團簇。當升溫至650℃，顆粒中Fe含量增加形成Pt-Fe合金。繼續升溫至750℃，Fe原子進一步擴散進入顆粒提高其與Pt的化學計量比至1：3，從而轉化為結構有序的Pt3Fe金屬間化合物。當溫度升高到950℃時，顆粒中Fe原子與Pt原子化學計量比達到1：1，形成PtFe金屬間化合物。根據形成過程中元素分布隨溫度變化的分析，本文發現達到化學計量比是形成金屬間化合物的前提條件，高溫退火的主要作用為促進Fe向Pt的擴散以形成具有目標化學計量比的合金。 圖2. PtFe IMC形成過程中元素分布原位分析4.Pt3Fe到PtFe相轉變原位研究：在750 ℃至1000 ℃的原位加熱過程中，本文通過探測單個Pt3Fe顆粒來跟蹤詳細的Pt3Fe到PtFe相轉變過程（圖3）。該顆粒由兩個Pt3Fe區域組成，當溫度升高至850 ℃時右側顆粒轉變為PtFe相，而左側顆粒仍保持Pt3Fe相不變。進一步升高溫度，Fe元素通過右側顆粒的PtFe (100)面插入到左側顆粒的Pt3Fe (010)面從而使左側顆粒轉變為PtFe相。5.理論理解：DFT計算表明Fe擴散進入Pt團簇或Fe擴散進入Pt3Fe顆粒均需克服高達三點幾eV的能壘。證實了高溫退火對克服能壘，達到目標化學計量比的重要作用（圖4）。 圖3. Pt3Fe到PtFe金屬間化合物轉變原位研究本文通過原位球差電鏡和同步輻射XAS技術，詳細探討了PtFe金屬間化合物在退火過程中的動態形成機制。這項研究不僅提供了對PtFe合金形成過程的原子級理解，還為實現金屬間化合物顆粒尺寸和原子有序度的平衡提供了重要的科學指導。Han, X., Zhou, Y., Tai, X. et al. In-situ atomic tracking of intermetallic compound formation during thermal annealing. Nat. Commun.15, 7200 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51541-0林岳，中國科學技術大學特任教授，博士生導師，國家優青獲得者，入選2020-2023年科睿唯安“高被引科學家”，及“2020年中國科學院青年創新促進會”人才支持計劃，擔任Carbon Energy與Green Energy & Environment雜志青年編委。2007年獲蘭州大學物理學學士學位，2012年獲中國科學技術大學凝聚態物理博士學位，現于中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心理化中心工作，負責球差電鏡的相關測試與研究工作，進行能源材料的球差與原位電鏡研究，利用透射電子顯微鏡的相關技術，揭示新型能源材料的生長機理和儲能機理，以理解材料的微觀結構與性能之間的關聯。以通訊作者在在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發表五十余篇論文，他引三萬余次。 許鈁鈁，現任中國科學院上海硅酸鹽研究所無機材料分析測試中心副主任、透射電鏡課題組組長。獲2006年度上海市“浦江人才計劃”。研究工作主要是利用透射電鏡等微結構表征手段對結構陶瓷、功能陶瓷和各類納米材料開展微結構、微觀機制和構效關系研究。發現并確立了氣相法生長一維納米材料的多面體準螺旋堆垛生長機制；確定了稀土離子在a-/b-SiAlON基體中的結構占位，建立了稀土摻雜結構與發光性能的關系；解析了大失配固溶體Cu2(S,Te)的晶體結構、短程序結構和特殊的晶體-非晶體交織結構，確立了Cu2X（X=S, Se, Te）銅基熱電材料多個組分的復雜結構特征及其升溫時的結構演變規律，揭示了結構與電熱輸運性能之間的密切關系；發現了PZT基反鐵電體的亞鐵電性本質，首次在鐵電材料中發現了魔梯現象，確立了相圖中鐵電-反鐵電相界附近的結構本質和相變機制；探討了構型熵對碳化物、硼化物和MAX相等陶瓷材料的晶體結構、微結構、力學性能和抗輻照性能的影響機制。現任上海科技大學兼職教授，中國科學院電鏡技術聯盟副理事長、常務理事，另在中國電子顯微鏡學會、上海顯微學學會、中國硅酸鹽學會測試技術分會和全國微束標準化委員會等學術機構擔任理事或專業委員會委員等職。 童磊，于2020年7月獲中國科學技術大學無機化學博士學位，師從梁海偉教授，現為中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心特任副研究員。迄今為止，以一作及通訊作者身份（含共同）在Nature Communications等期刊上發表論文14篇。研究方向為質子交換膜燃料電池碳載體及原子有序合金催化劑的設計與制備。
