二氧化铈中氧空位的形成和迁移对其化学和能量转换系统中的电化学和催化性能至关重要，但由于其分布的无序性，使其在原子尺度上的量化具有一定的挑战性。有鉴于此，佐治亚理工学院王中林、刘美林和Yong Ding等人报道了一种通过原位（扫描）透射电子显微镜（(S)TEM）来跟踪纯净和掺Sm的二氧化铈（CeO₂）单晶在−20 °C–160 °C中氧空位扩散的合理方法。

本文要点：

1）为了产生氧空位浓度梯度，通过高能电子束的电离或辐射分解效应，将二氧化铈晶粒内的一小部分区域（直径~30 nm）还原为C型CeO_1.68相。然后通过使用扫描纳米束衍射或4D STEM以大于2 nm的空间分辨率，通过晶格膨胀测量来绘制氧空位浓度的变化。这样可以直接确定在不同温度下纯净和掺Sm的二氧化铈内部很小区域内的局部氧空位扩散系数。

2）此外，对于纯CeO₂、Ce_0.94Sm_0.06O_1.97、Ce_0.89Sm_0.11O_1.945和Ce_0.8Sm_0.2O_1.9，确定了其用于氧传输的活化能为0.59、0.66、1.12和1.27 eV，这表明杂质散射使活化能增加。这一结果得到了密度泛函理论(DFT)计算的证实。

3）此外，原位TEM研究发现，位错通过从周围区域吸收氧空位并将其固定在局部来阻碍氧空位的扩散。随着氧空位吸收的增加，位错显示出扩展的应变场，局部拉伸区夹在压缩区之间。因此，为了促进氧空位在低温下的快速扩散，必须使二氧化铈晶粒的位错密度最小化。

Yong Ding, et al. Quantitative nanoscale tracking of oxygen vacancy diffusion inside single ceria grains by in situ transmission electron microscopy. Mater. Today 2020.

DOI: 10.1016/j.mattod.2020.04.006.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.04.006