多相催化剂在现代化工和环保等领域占据极其重要的地位，尤其是负载型金属催化剂具有最为广泛的应用。改进和研发高性能的负载型催化剂依赖于人们对材料微观结构及其与催化活性、选择性、失效机制之间内在关系的深入认知，这也一直是化学物理交叉表面科学与技术的核心研究课题。球差校正的扫描透射电子显微术（STEM）具有原子级的空间分辨能力以及单原子尺度的分析灵敏度，尤其是针对原子级分散的负载贵金属催化剂，STEM的原子序数衬度像能够给出最直观的单原子分散的结构证据。近年来，与STEM相结合的x射线能谱与电子能量损失谱的高分辨率得到大大提高，并且成功引入了多种原位电镜技术，从而发展成为催化剂结构及其催化机理研究的最有力的手段。鉴于此，我们特邀中国科学院大学周武团队为本刊撰写中文综述性文章，介绍STEM中各具特点的成像和谱学技术以及它们在原子级分散催化剂中的应用，并对未来电镜技术在催化研究领域的应用和发展进行了展望。该综述涵盖多种电镜表征技术，所涉及的催化剂应用案例具有代表性，为研究人员了解扫描透射电镜在负载催化剂研究中的应用提供了前沿信息。文章作为封面文章发表在《真空科学与技术学报》第41卷，第4期，307-317页。

本刊编委  中科院物理研究所  郭建东  研究员

      解析催化剂的原子尺度结构对于理解其催化性能的起源、进而改进和设计具有更高性能的催化剂具有重要意义。得益于球差校正技术的不断发展，扫描透射电子显微镜（STEM）已经可以在原子尺度对材料进行成像（例如高角环形暗场像（HAADF）、二次电子/背散射电子像（SE/BSE）等）或者谱学（电子能量损失谱（EELS）、X射线能谱（EDS）等）的精细结构分析。此外，不断发展的原位电镜技术还可在模拟反应条件下追踪催化剂材料在微观尺度的动态结构演变。近日，中国科学院大学彭星杰、李傲雯、朱勇和周武教授在《真空科学与技术学报》上发表综述文章，基于该实验室长期的研究成果以及国内外其他课题组的前沿研究进展，对扫描透射电子显微学在原子级分散负载型催化剂研究中的应用进行概述。

      在高分散负载催化剂的结构分析中，STEM-HAADF成像由于具有直观、易解析的原子序数衬度（Z衬度），被最为广泛地使用。通过直接的原子尺度Z衬度成像，可以在实空间获得原子级分散的贵金属表面物种在载体表面锚定位点和存在形式等微观结构信息。与此同时，STEM-EELS和EDS等谱学方法则通过采集特征的能损电子和X射线信号获得催化剂样品中各元素的分布。当负载金属物种在载体上的分布无法通过HAADF像的原子序数衬度进行直接判断时，则可通过与HAADF像同步采集的原子分辨的谱学方法进行表征。

      除了利用透射电子对催化剂样品进行原子尺度结构分析外，在球差校正STEM中还可以利用基于二次电子/背散射电子的SE/BSE成像实现催化剂表面结构的原子尺度解析，该成像技术在近年逐渐得到重新重视。此外，催化剂的结构研究必须超越高真空环境下的常规电镜分析，走向原位。了解催化剂在特定温度和反应气氛条件下的结构和成分变化对于理解催化性能起源和失效机制具有关键意义。近年来原位电镜技术的不断发展使得在电镜的高真空镜筒中模拟催化剂真实的工作环境成为可能，为深入探究催化剂的真实构效关系提供了新的实验手段。

      球差校正STEM因其优秀的空间分辨率和单原子分析灵敏度为探索原子级分散的负载催化剂的构效关系提供了关键结构信息。在文章的最后，作者还从EELS的精细结构分析、差分相位衬度技术（DPC）、以及扫描电子衍射成像技术（4D-STEM）等方面讨论了STEM技术在负载催化剂研究中的应用与发展前景。

更多内容请见《真空科学与技术学报》第41卷。第4期，307-317页。

DOI:10. 13922 / j. cnki. cjvst. 202103018

引用格式：X. Peng, A. Li, Y. Zhu, W. Zhou, Application of Scanning Transmission Electron Microscopy in the Studies of Atomically Dispersed Catalysts, Chin.  J.  Vac.  Sci.  Tech,  41,  4,  307-317(2021)

点击最下方链接可下载全文