Nature重磅：用透射电子显微镜追踪液体中单个吸附原子！

表面上的单个原子或离子，影响从成核到电化学反应以及多相催化的多个过程。透射电子显微镜(TEM)是一种主要的方法，可用来可视化的各种衬底上的单个原子。它通常需要高真空条件，但已被开发用于液体和气体环境中的原位成像，其结合的空间和时间分辨率是任何其他方法所无法比拟的，尽管有电子束对样品的影响。

当使用商业技术在液体中成像时，包裹样品的窗口和液体中的电子散射，通常将可达到的分辨率限制在几个纳米。另一方面，石墨烯液体电池，实现了液体中金属纳米颗粒的原子分辨率成像。

在此，来自英国曼彻斯特大学的Roman Gorbachev&Sarah J. Haigh等研究者展示了一个双石墨烯液体电池，其由中心的二硫化钼单分子层组成，再用六方氮化硼间隔层与两个封闭的石墨烯窗口隔开，这使得在盐溶液中以原子分辨率监测单分子层上铂吸附原子的动力学成为可能。相关论文以题为“Tracking single adatoms in liquid in a Transmission Electron Microscope”于2022年07月27日发表在Nature上。

石墨烯，具有极薄、高机械强度、低原子序数、化学惰性、不渗透性和清除侵略性自由基的能力，是原位TEM电池的理想窗口材料。初始的石墨烯液体电池(GLC)设计，依赖于两个石墨烯薄片之间液体囊的随机形成，因此，在长时间的电子暴露下，其产率较低，稳定性较差。更先进的设计，包括了SiNx或六方氮化硼(hBN)的图案间隔层来定义液体袋，从而改善了GLC几何形状和实验条件的控制。

在此，研究者开发了一种双石墨烯液体电池(DGLC)，用于在透射电镜中研究原子薄膜上单个溶剂化金属原子的运动。这是由于非原位STEM研究表明，液体环境的选择，可以改变金属原子从纳米团簇到单个原子的分布，但原位实验探测这种行为是不可行的，甚至在早期的研究中，单个原子在液体中的成像被证明是难以捉摸的。研究者的重点是MoS2上的Pt，已有的丰富数据使其成为探索原子分辨率液体电池显微镜的局限性和潜力的理想模型系统。

DGLC如图1a所示，由两个hBN间隔层组成，每层数十纳米厚，中间夹有二硫化钼(MoS2)单层。两种hBN间隔都包含用电子束光刻和随后的反应离子蚀刻预图纹的空洞。利用堆栈顶部和底部的几层石墨烯(FLG)将液体样品困在空隙中。原子平面的hBN晶体与石墨烯和MoS2形成密封；如果电池局部破裂，这可以防止渗漏，单个细胞之间的液体转移和液体的完全损失。

研究表明，通过对70000多个单吸附原子吸附位点的成像，研究者比较了吸附原子在完全水合和真空状态下的位置偏好和动态运动。研究发现，与真空相比，吸附原子在液相中的吸附位分布有所改变，扩散系数也有所提高。这种方法，为单原子精度的化学过程原位液相成像铺平了道路。

图1. 双液电池的设计

图2. 水溶液环境中单Pt吸附原子在MoS2上的吸附位点

图3. 在液槽和真空中的首选吸附位点

图4. 使用最近邻链接的单原子跟踪

综上所述，尽管强调了理解电子束效应和对复杂水合体系中原子行为进行补充理论研究的重要性，但本文的结果表明了测量固液界面上吸附原子运动的能力。该实验技术广泛适用于不同的材料系统，并提供了一种在不同环境中获得以前无法获得的原子解析、动态、结构信息的途径，适用于物理科学中的许多不同系统。

文献信息

Clark, N., Kelly, D.J., Zhou, M. et al. Tracking single adatoms in liquid in a Transmission Electron Microscope. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05130-0