本研究于2026年4月2日发表在《Science》期刊上，由萨姆·沙利文-奥尔索普（Sam Sullivan-Allsop）、尼克·克拉克（Nick Clark）、王文东（Wendong Wang）等来自英国曼彻斯特大学、国家石墨烯研究所、卡迪夫大学、谢菲尔德大学、牛津大学、哈维尔钻石光源等多家机构的科研人员共同完成。
学术背景 该研究聚焦于固-液界面的原子尺度结构与动力学，这是一个对先进催化剂、电化学器件、分子分离技术以及金属回收等关键工业过程至关重要的领域。特别是单原子催化剂（SACs）的性能高度依赖于金属原子在载体表面的分散状态及其与环境的相互作用。然而，传统上对固-液界面原子尺度过程的理解存在巨大挑战。虽然透射电子显微镜（TEM）在真空条件下已能实现原子分辨成像，但在液体环境中，尤其是非水溶剂中，实现原子分辨率并定量分析动态过程一直面临技术瓶颈。这主要受限于成像分辨率不足、溶剂与样品载台不兼容以及液体浓度难以精确控制等问题。
因此，本研究旨在开发一种新的实验平台，以在原子尺度上直接观察和量化金属物种（本研究以金为模型体系）在不同有机溶剂环境中的固-液界面行为。其核心目标是阐明溶剂极性和后续干燥过程如何共同决定金属的原子分散状态，并最终影响其催化性能，从而为优化催化剂湿法合成工艺提供机理层面的指导。
详细工作流程 本研究包含一个集成的、多步骤的工作流程，结合了创新的样品制备技术、先进的电子显微镜成像和人工智能辅助的数据分析。
首先，新型石墨烯液体池（GLC）的制备是关键技术突破。为了克服传统GLC技术仅限于水溶液且浓度控制不佳的局限，研究团队开发了一种“液浴转移”工艺。具体而言，他们使用氮化硅薄膜作为转移载体和TEM样品支撑，替代了常规的聚合物支撑层。关键的封装和密封步骤在目标液体的大体积浸没环境下完成（见图1A）。这种方法显著减少了解析液在封装过程中的不可控蒸发，能够更精确地控制封装溶液的浓度，并极大降低了碳氢化合物对液体池的污染。最终制备的液体池由两层3-5 nm厚的石墨烯作为窗口，中间夹着一层30-40 nm厚、带有预制孔洞的六方氮化硼（hBN）作为间隔层，孔洞即作为容纳液体的“井”（见图1B）。这种设计使得总厚度足够薄（36-50 nm），既能保证高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）成像，又得益于STEM有限的景深（约5 nm），可以每次只聚焦于一个石墨烯窗口上的动态过程。
其次，原子分辨率成像与数据采集。研究使用高空间分辨率STEM对封装了不同溶剂（水、丙酮、乙醇、丁醇、环己酮）及氯金酸（HAuCl₄）的液体池进行成像。同时采集高角度环形暗场像（HAADF-STEM，对重原子敏感）和明场像（BF-STEM，对轻原子和相位敏感）。这种组合使得研究人员能够同时定位金原子（重原子）和下方的石墨烯晶格（轻原子），这是以往在液体环境中难以实现的（见图1C）。他们对两种关键溶剂（丙酮和环己酮）采集了超过4000张HAADF和BF-STEM图像，并追踪了超过10⁶个金吸附原子（adatom）、二聚体和团簇的位置。
第三，人工智能辅助的图像分析。为处理海量的原子尺度图像数据并实现定量统计，研究团队开发了一套半自动、人工智能（AI）驱动的图像分析方法。该算法用于识别图像中的金物种，并根据设定的0.4 nm截止搜索半径将其归类到不同的簇中。通过校准单个原子的HAADF信号强度，可以估算金簇的局部厚度（原子层数）。此外，他们还对原子轨迹进行了追踪，以分析其扩散动力学。
第四，密度泛函理论（DFT）计算。为了解释实验观察到的现象，研究进行了DFT计算，以预测金原子在石墨烯表面的优先吸附位点、金-金二聚体的形成能以及溶剂分子（丙酮、环己酮、水）与金原子/石墨烯表面的相互作用。
第五，催化性能测试与关联分析。为了将原子尺度的观察与实际催化性能联系起来，研究团队通过湿法浸渍合成了金-碳（Au-C）催化剂，并测试了其在乙炔（C₂H₂）氢氯化反应中的初始转化率。他们系统比较了不同合成溶剂（水、丙酮、乙醇、丁醇、环己酮）以及不同干燥温度（42°C vs 160°C）对催化活性的影响。
第六，干燥后样品的离位分析。为了理解干燥过程的影响，研究还制备了“干燥对照”样品（即采用GLC方法但不封装顶部石墨烯窗口，并在空气中干燥）。他们通过常规的离位STEM对数千张图像进行分析，统计了超过1,000,000个金吸附原子的位置，定量比较了液体环境中与干燥后金物种的分散状态变化。
主要结果 研究获得了多层次、定量化的结果，揭示了溶剂极性和干燥动力学对金物种分散的协同控制机制。
在液体环境中的原子分散状态方面，研究发现溶剂极性对金的初始分散起着决定性作用。在极性较低的丙酮中，金以高比例的原子分散物种（42%）以及小的无定形团簇形式存在（见图2C）。相反，在高极性的水中，金只形成直径大于5 nm的大晶体纳米颗粒，没有观测到原子分散物种（见图1D，S5）。这与催化测试结果完美吻合：用水合成的Au-C催化剂对乙炔氢氯化反应完全没有活性，因为该反应依赖于孤立的吸附原子。具有中等极性的乙醇和丁醇，其金物种主要以晶体纳米颗粒形式存在（占比80%和87%）。令人意外的是，化学功能性和极性与丙酮相似的环己酮，其在液体池中的原子分散金物种比例却低得多（仅12%），且72%的金存在于晶体纳米颗粒中（见图2C）。这初步解释了其合成催化剂活性不佳的原因（见图1D）。
对金原子在石墨烯上的吸附位点分析表明，无论在丙酮还是环己酮中，金原子都强烈倾向于占据A1位点（即位于上下两层碳原子正上方的碳原子顶部）（见图3B）。这一观察结果与考虑了溶剂环境的DFT计算预测一致，但与早期真空条件下的DFT研究（预测A1和A2位点结合能相似）不同，凸显了溶剂环境在决定金属-载体相互作用中的关键作用。
对金-金相互作用的分析揭示了有趣的集体行为。即使在原子分散物种中，也观察到大量稳定的二聚体和三聚体，它们可以以扁平构型在石墨烯表面共同扩散数分钟之久（见图4A，B）。一维径向平均配对分布函数显示，金-金原子间距存在一个强烈的0.25 nm偏好峰（见图3C），这恰好对应石墨烯晶格的次近邻距离。二维配对分布函数和DFT计算进一步证实，最稳定的二聚体构型是两个金原子都位于相邻的A1位点（见图3D，F）。DFT计算表明，在真空条件下，金二聚体的形成能高达约2 eV，主要源于金-金和金-石墨烯的相互作用，且金原子与石墨烯之间的电荷转移可忽略，表明吸附到表面的金原子很可能是中性的。
关于金物种的动力学，视频序列分析显示金吸附原子在石墨烯表面扩散，并在单体、二聚体、三聚体构型之间动态转换（见图4A-C）。在丙酮中，金原子的帧间位移分布比在环己酮中更宽，表明其在丙酮中的运动性更强（见图4D）。控制实验排除了电子束通量变化和样品污染对扩散测量的显著影响。
最关键的发现来自于干燥过程的影响。研究将液体池内的观察与干燥后样品的离位分析相结合（见图5）。对于丙酮溶剂，干燥后（40°C）石墨烯表面原子分散物种（单体、二聚体、三聚体）的面密度几乎翻倍，其中二聚体和三聚体的相对增幅更大。这表明在低于其沸点（57°C）的温度下温和干燥，能够有效地“冻结”并保留住液体界面形成的有利原子分散状态，从而得到高活性的SAC材料。相反，对于环己酮溶剂，干燥后（室温）原子分散物种的数量减少了30%，金更多地聚集成大团簇和晶体颗粒，这些颗粒出现在液滴边缘，暗示了类似“咖啡环效应”的干燥过程破坏了溶剂相互作用形成的良好分散。当使用水作为溶剂时，由于液态下就缺乏原子分散，干燥步骤的影响仅是诱导金进一步团聚。干燥温度的影响也很显著：丙酮溶剂在160°C下干燥会因溶剂快速蒸发和提供聚集能量而导致活性降低（见图1D，S30）。因此，优化催化性能的关键在于结合低极性溶剂（如丙酮）以在液相中获得良好的原子分散，再通过快速、低温的干燥动力学来保留这种分散状态。
结论与意义 本研究成功开发了一种适用于多种非水溶剂的、可定量分析的新型石墨烯液体池技术，结合AI图像分析，实现了对固-液界面原子尺度过程的统计代表性研究。研究明确揭示了溶剂极性控制着金属在液相中的初始原子分散，而后续的干燥动力学（特别是溶剂的沸点和表面张力）则决定了这种有利的分散状态能否在最终催化剂中得以保留。对于金-碳SAC体系，低极性的丙酮结合快速、低温干燥是获得高性能催化剂的关键。
该研究的科学价值在于，首次在原子尺度上分离并量化了湿法浸渍合成中“溶剂分散”和“干燥条件”两个关键步骤的贡献，为理性设计和优化SAC及其他材料的湿化学合成提供了清晰的物理图像和机理指导。应用价值显著，该表征平台可广泛应用于理解催化、电子废弃物金属回收、医疗和清洁能源系统等领域的材料在液体环境中的动态结构，加速相关材料的开发进程。
研究亮点 1. 方法学创新：开发了“液浴转移”法制备GLC，突破了非水溶剂原子分辨率液相TEM的技术瓶颈，实现了对封装溶液浓度的更好控制和高洁净度界面。 2. 高维度数据：结合原子分辨率的HAADF/BF双模STEM成像与深度学习分析，追踪了超过百万个金属原子的位置与动态，提供了前所未有的统计可靠性。 3. 机理深度揭示：不仅观察了现象，更通过关联液相观察、干燥后分析、DFT计算和催化性能测试，完整阐明了从液相吸附、原子间相互作用到干燥成型，最终影响催化活性的全链条机理，明确指出“溶剂极性”和“干燥动力学”是协同控制最终催化剂结构的两大关键因素。 4. 发现稳定二聚体/三聚体：在液相中观察到可稳定存在并协同扩散的金二聚体和三聚体，为理解“关联单原子催化剂”提供了直接实验证据。 5. 定量化结果：提供了不同溶剂中金物种尺寸分布的精确概率、吸附位点偏好、原子间距分布以及干燥前后面密度变化的定量数据，使结论坚实有力。
其他有价值内容 研究还通过DFT计算指出，有机溶剂分子（丙酮、环己酮）比金物种更倾向于吸附在石墨烯表面，但金-溶剂复合物的吸附则更为有利。孤立的吸附金物种和小团簇会被溶剂分子“封端”从而稳定存在，抑制大团簇生长。而在水中，金比水分子更容易吸附在石墨烯上，这与水中观察到金晶体形成的实验现象一致。这一理论解释进一步丰富了溶剂作用的微观图像。