17 de diciembre de 2023 (Proyector Nanowerk) Los científicos han tratado de aprovechar los defectos atómicos para mejorar el rendimiento electrocatalítico para aplicaciones de energía limpia. Sin embargo, la incapacidad de estudiar con precisión la polarización del campo eléctrico a escala atómica de los defectos obstaculizó la comprensión de las relaciones estructura-propiedad que subyacen a las mejoras catalíticas observadas. Ahora, los nuevos avances en microscopía permiten obtener imágenes directas de las distorsiones del campo eléctrico en los defectos atómicos, lo que desbloquea nuevos principios de diseño. Las recientes innovaciones en ingeniería de defectos de materiales tienen como objetivo modular las distribuciones de carga superficial y lograr mejoras en las propiedades, pero la falta de técnicas de caracterización creó lagunas de conocimiento. Las predicciones computacionales indicaron que las cargas superficiales asimétricas inducidas por defectos probablemente expliquen las mejoras, pero la validación experimental permaneció ausente. Si bien se demostró que la introducción de defectos mejoró el rendimiento, las configuraciones de defectos específicas para efectos óptimos no quedaron claras sin imágenes a escala fina. Los avances en la microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberraciones (AC-STEM) superaron los límites anteriores al permitir obtener imágenes claras de las estructuras atómicas de los materiales. Aún así, el seguimiento de las distribuciones de campos eléctricos que rodean los sitios de defectos siguió planteando dificultades. La tecnología de contraste de fase diferencial (DPC) recientemente desarrollada dentro de microscopios avanzados cierra esta brecha al mapear con sensibilidad las distorsiones localizadas del campo eléctrico. La capacidad del DPC para revelar perturbaciones ambientales nanoscópicas alrededor de defectos muestra su potencial para relacionar directamente las estructuras atómicas con las propiedades resultantes. Recientemente, un equipo de investigadores en China aprovechó el DPC para dilucidar los mecanismos de ingeniería de defectos para la evolución electrocatalítica del hidrógeno. Su investigación, publicada en Nature Communications (“Polarización a nivel atómico en campos eléctricos de defectos para electrocatálisis”), actúa como demostración de la aplicación de estas técnicas de caracterización para desentrañar directamente los procesos de ajuste de defectos en los dominios energéticos.
a Mecanismo de imagen de DPC-STEM. b Área de imágenes HAADF-STEM de S2Mo-MoS2-5 correspondiente a la señal de campo eléctrico recogida por el detector de segmento DPC. c-e Regiones ampliadas de estructura atómica prístina (c), la estructura de defecto antisitio (d) y la estructura de vacantes de Mo (e), que corresponden a las regiones de 1#, 2# y 3# en (b). joder Imágenes de distribución del campo eléctrico atómico correspondientes a (c, d). Las direcciones de las flechas en (fh) indican las direcciones de los campos eléctricos y los diferentes colores de las flechas indican las intensidades de los campos eléctricos. Las flechas rojas en (g) indican la región de polarización del campo eléctrico. (Reimpreso de doi:0.1038/s41467-023-43689-y bajo una licencia CC BY 4.0 Deed) Dos de los autores del artículo, Yifei Yuan y Jie Xu de la Universidad de Wenzhou, explican a Nanowerk que, a pesar de años de visualizar defectos atómicos a través de electrones microscopía, los campos eléctricos específicos asociados con estos defectos permanecen en gran medida inexplorados. Esta falta de comprensión crea una brecha significativa entre la mera existencia de estos defectos y sus propiedades catalíticas únicas. Proponen que obtener imágenes directas de estos campos eléctricos podría cerrar esta brecha, vinculando efectivamente los fenómenos a escala atómica con el rendimiento de los materiales a nivel masivo. La eficiencia electrocatalítica constituye un factor fundamental para muchos dispositivos de energía renovable, por lo que su mejora es vital. Los investigadores se centraron en la incorporación de defectos dentro de la monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2), un electrocatalizador terrestre abundante. La introducción de átomos de azufre en sitios de molibdeno (un tipo de defecto conocido como “antisitio”) junto con defectos de vacancia de molibdeno en la estructura del material tenía como objetivo modular la distribución de su campo eléctrico y su correspondiente capacidad de adsorción de hidrógeno. Este proceso, que implica colocar átomos de azufre donde normalmente estarían los átomos de molibdeno, altera las propiedades del material para mejorar el rendimiento. El enfoque de deposición química de vapor del equipo produjo MoS monocapa prístina2 antes de someter las muestras a un recocido controlado bajo flujo de hidrógeno/argón. Este tratamiento generó defectos puntuales específicos, confirmados mediante imágenes AC-STEM. El equipo produjo muestras solo con vacantes de molibdeno, muestras que presentaban solo antisitios y muestras con ambas variedades de defectos. La corrección de la aberración permitió una resolución clara de los átomos de azufre individuales que ocupan sitios vacantes en la red de molibdeno. Las pruebas microelectroquímicas revelaron un sobrepotencial de reacción de evolución de hidrógeno inferior a 150 milivoltios para un S óptimo2Mo-MoS2 muestras que contienen abundantes defectos antisitio en comparación con MoS prístino2. Este aumento de rendimiento indicó una adsorción de hidrógeno sustancialmente mejorada derivada del campo eléctrico modulado después de la incorporación del defecto. Para dilucidar el mecanismo específico subyacente a la electrocatálisis mejorada fue necesario caracterizar el entorno a escala atómica de los sitios defectuosos. Los investigadores implementaron DPC dentro de un STEM avanzado para visualizar directamente las distribuciones de campos eléctricos que rodean a los átomos individuales. Para MoS prístino2, las imágenes DPC mostraron el campo simétrico esperado. Sin embargo, los defectos antisitio exhibieron una polarización asimétrica pronunciada, alineándose con las predicciones computacionales sobre densidades de carga distorsionadas. En particular, el mapeo DPC de la misma área microestructural eliminó las diferencias específicas de la muestra que influyen en los resultados. Junto con los cálculos de la teoría funcional de la densidad, las imágenes del campo eléctrico a escala atómica demostraron que la reducción de las barreras de adsorción de hidrógeno en los defectos antisitio polarizados explicaba directamente las mejoras electrocatalíticas. Más allá de dilucidar la electrocatálisis sintonizable en este estudio, los autores subrayan el potencial de conectar directamente los defectos de ingeniería con resultados funcionales a través de la caracterización microscópica del campo eléctrico. Los avances en resoluciones y modos de detección equipan a los investigadores para pasar de especular sobre los mecanismos de ajuste de defectos propuestos a visualizar directamente las variaciones del entorno local. El equipo sugiere que su enfoque que combina la incorporación controlada de motivos de defectos específicos con la caracterización de propiedades in situ a escala atómica sienta las bases para desentrañar aún más las relaciones estructura-propiedad. Adaptar los defectos mientras se obtienen imágenes de sus efectos constituye una estrategia prometedora de materiales por diseño que abarca desde la catálisis hasta la electrónica y el almacenamiento de energía. A medida que los modos de detección continúan mejorando, la microscopía operativa ofrece otra frontera al permitir el monitoreo en tiempo real de los procesos dinámicos. La incorporación de células microelectroquímicas en microscopios avanzados podría revelar mecanismos electrocatalíticos que fluctúan en las condiciones de funcionamiento. Esta capacidad de obtener imágenes atómicas resueltas en el tiempo puede revelar más conocimientos sorprendentes sobre las propiedades del medio ambiente. En general, la cuantificación directa de los resultados de la ingeniería de defectos a través de microscopía avanzada elimina las suposiciones e incertidumbres que oscurecen el funcionamiento subyacente de los sistemas a nanoescala ajustables. En lugar de depender de inferencias sobre factores de mejora hipotéticos, los investigadores ahora pueden identificar causas a nivel atómico de los comportamientos emergentes. Los enfoques de caracterización de defectos probablemente se volverán omnipresentes como herramientas que exploran nuevas fronteras entre estructuras y propiedades y aceleran la innovación de materiales basada en el conocimiento.
a Mecanismo de imagen de DPC-STEM. b Área de imágenes HAADF-STEM de S2Mo-MoS2-5 correspondiente a la señal de campo eléctrico recogida por el detector de segmento DPC. c-e Regiones ampliadas de estructura atómica prístina (c), la estructura de defecto antisitio (d) y la estructura de vacantes de Mo (e), que corresponden a las regiones de 1#, 2# y 3# en (b). joder Imágenes de distribución del campo eléctrico atómico correspondientes a (c, d). Las direcciones de las flechas en (fh) indican las direcciones de los campos eléctricos y los diferentes colores de las flechas indican las intensidades de los campos eléctricos. Las flechas rojas en (g) indican la región de polarización del campo eléctrico. (Reimpreso de doi:0.1038/s41467-023-43689-y bajo una licencia CC BY 4.0 Deed) Dos de los autores del artículo, Yifei Yuan y Jie Xu de la Universidad de Wenzhou, explican a Nanowerk que, a pesar de años de visualizar defectos atómicos a través de electrones microscopía, los campos eléctricos específicos asociados con estos defectos permanecen en gran medida inexplorados. Esta falta de comprensión crea una brecha significativa entre la mera existencia de estos defectos y sus propiedades catalíticas únicas. Proponen que obtener imágenes directas de estos campos eléctricos podría cerrar esta brecha, vinculando efectivamente los fenómenos a escala atómica con el rendimiento de los materiales a nivel masivo. La eficiencia electrocatalítica constituye un factor fundamental para muchos dispositivos de energía renovable, por lo que su mejora es vital. Los investigadores se centraron en la incorporación de defectos dentro de la monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2), un electrocatalizador terrestre abundante. La introducción de átomos de azufre en sitios de molibdeno (un tipo de defecto conocido como “antisitio”) junto con defectos de vacancia de molibdeno en la estructura del material tenía como objetivo modular la distribución de su campo eléctrico y su correspondiente capacidad de adsorción de hidrógeno. Este proceso, que implica colocar átomos de azufre donde normalmente estarían los átomos de molibdeno, altera las propiedades del material para mejorar el rendimiento. El enfoque de deposición química de vapor del equipo produjo MoS monocapa prístina2 antes de someter las muestras a un recocido controlado bajo flujo de hidrógeno/argón. Este tratamiento generó defectos puntuales específicos, confirmados mediante imágenes AC-STEM. El equipo produjo muestras solo con vacantes de molibdeno, muestras que presentaban solo antisitios y muestras con ambas variedades de defectos. La corrección de la aberración permitió una resolución clara de los átomos de azufre individuales que ocupan sitios vacantes en la red de molibdeno. Las pruebas microelectroquímicas revelaron un sobrepotencial de reacción de evolución de hidrógeno inferior a 150 milivoltios para un S óptimo2Mo-MoS2 muestras que contienen abundantes defectos antisitio en comparación con MoS prístino2. Este aumento de rendimiento indicó una adsorción de hidrógeno sustancialmente mejorada derivada del campo eléctrico modulado después de la incorporación del defecto. Para dilucidar el mecanismo específico subyacente a la electrocatálisis mejorada fue necesario caracterizar el entorno a escala atómica de los sitios defectuosos. Los investigadores implementaron DPC dentro de un STEM avanzado para visualizar directamente las distribuciones de campos eléctricos que rodean a los átomos individuales. Para MoS prístino2, las imágenes DPC mostraron el campo simétrico esperado. Sin embargo, los defectos antisitio exhibieron una polarización asimétrica pronunciada, alineándose con las predicciones computacionales sobre densidades de carga distorsionadas. En particular, el mapeo DPC de la misma área microestructural eliminó las diferencias específicas de la muestra que influyen en los resultados. Junto con los cálculos de la teoría funcional de la densidad, las imágenes del campo eléctrico a escala atómica demostraron que la reducción de las barreras de adsorción de hidrógeno en los defectos antisitio polarizados explicaba directamente las mejoras electrocatalíticas. Más allá de dilucidar la electrocatálisis sintonizable en este estudio, los autores subrayan el potencial de conectar directamente los defectos de ingeniería con resultados funcionales a través de la caracterización microscópica del campo eléctrico. Los avances en resoluciones y modos de detección equipan a los investigadores para pasar de especular sobre los mecanismos de ajuste de defectos propuestos a visualizar directamente las variaciones del entorno local. El equipo sugiere que su enfoque que combina la incorporación controlada de motivos de defectos específicos con la caracterización de propiedades in situ a escala atómica sienta las bases para desentrañar aún más las relaciones estructura-propiedad. Adaptar los defectos mientras se obtienen imágenes de sus efectos constituye una estrategia prometedora de materiales por diseño que abarca desde la catálisis hasta la electrónica y el almacenamiento de energía. A medida que los modos de detección continúan mejorando, la microscopía operativa ofrece otra frontera al permitir el monitoreo en tiempo real de los procesos dinámicos. La incorporación de células microelectroquímicas en microscopios avanzados podría revelar mecanismos electrocatalíticos que fluctúan en las condiciones de funcionamiento. Esta capacidad de obtener imágenes atómicas resueltas en el tiempo puede revelar más conocimientos sorprendentes sobre las propiedades del medio ambiente. En general, la cuantificación directa de los resultados de la ingeniería de defectos a través de microscopía avanzada elimina las suposiciones e incertidumbres que oscurecen el funcionamiento subyacente de los sistemas a nanoescala ajustables. En lugar de depender de inferencias sobre factores de mejora hipotéticos, los investigadores ahora pueden identificar causas a nivel atómico de los comportamientos emergentes. Los enfoques de caracterización de defectos probablemente se volverán omnipresentes como herramientas que exploran nuevas fronteras entre estructuras y propiedades y aceleran la innovación de materiales basada en el conocimiento.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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