Bis vor kurzem haben wir Materialien vor und nach bestimmten Tests analysiert. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, detaillierte Informationen darüber zu erhalten, wie Material unter aggressiven Umgebungen bei erhöhten Temperaturen strukturelle und chemische Veränderungen erfährt. Speziell dafür wurde die in situ geschlossenzellige Gasreaktion, CCGR, Scanning Transmission Elektromikroskopie entwickelt.
Es sollten die dynamischen Veränderungen in Echtzeit bei erhöhten Temperaturen in einer Gasumgebung bis zum vollen atmosphärischen Druck in einer Vielzahl von Materialsystemen wie Katalysatoren, Strukturmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren usw. untersucht werden. Darüber hinaus können die Reaktionen auf verschiedenen Längenskalen untersucht werden, von Mikrometern bis hinunter zur atomaren Skala. Dies ist sehr wichtig, da wir bei niedrigeren Vergrößerungen viel über das Verhalten des Gesamtsystems lernen und kinetische Informationen extrahieren können.
Auf atomarer Ebene können wir etwas über Reaktionsmechanismen und Kinetik lernen, die an der Oberfläche auftreten, sowie über die grenzflächenspezifischen Grenzflächen. Dies ist wirklich bemerkenswert, um Atomauflösungsbilder bei atmosphärischem Druck zu erhalten, und es kann nicht wirklich mit experimentellen Techniken durchgeführt werden. Dieses Protokoll zeigt, wie eine geschlossenzellige In-situ-Gasreaktion mit In-situ-Elektromikroskopie durchgeführt wird.
Es beleuchtet auch die Probenvorbereitung und ihre Herausforderungen für verschiedene Materialien. Direkte Pulverabscheidung durch Tropfenguss aus einer kolloidalen Lösung. Zerkleinern Sie das Pulver, wenn die Pulverpartikel zu groß sind.
Mischen Sie eine kleine Menge Pulver und zwei Milliliter Lösungsmittel. Die Menge wird durch Experimente bestimmt. Beschallen Sie die Lösung für fünf Minuten, um eine kolloidale Suspension zu erzeugen.
Legen Sie den E-Chip auf die E-Chip-Haltevorrichtung. Drop-Cast der Suspension mit einer Mikropipette direkt auf den E-Chip. Reinigen Sie den Goldkontakt mit einem saugfähigen Papierpunkt, während Sie ein Stereomikroskop werfen.
Direkte Pulverabscheidung durch eine Maske. Legen Sie einen neuen sauberen E-Chip auf die E-Chip-Haltevorrichtung. Verwenden und maskieren und legen Sie es direkt auf den E-Chip innerhalb der Vorrichtung.
Verwenden Sie die obere Platte, um einen neuen sauberen E-Chip und eine Maske innerhalb der Vorrichtung zusammenzuklemmen. Eine kleine Menge des Pulvers mit einem Spatel direkt auf die Siliziumnitridmembran des neuen sauberen E-Chips durch die Maske abscheiden. Vibrieren Sie die Vorrichtung vorsichtig, um die Partikel bis zum E-Chip zu schütteln.
Dies könnte durch Beschallungseinheit und Platzieren der Leuchte in das trockene Becherglas erfolgen. Schütteln Sie das überschüssige Pulver ab, zerlegen Sie das System und überprüfen Sie die Platzierung des Pulvers auf dem E-Chip. Abscheidungsmethoden durch Elektronenstrahlverdampfung, Ionen- oder Magnetronsputtern.
Erstellen Sie eine Mustermaske mit einem Abstandshalterchip mit Siliziumnitridmembran und siliziumnitrid mikroporösem TEM-Fenster. Verwenden Sie Cyanacryolatkleber, um das mikroporöse TEM-Fenster mit dem Siliziumnitrid über die 50 x 250 Mikrometer große Öffnung nach unten zu befestigen, entsprechend der Empfehlung des Herstellers. Wiederholen Sie dann den Vorgang, um so viele Mustermasken wie nötig für die E-Chips vorzubereiten.
Legen Sie einen neuen sauberen E-Chip auf die E-Chip-Halterung. Legen Sie die Mustermaske auf den E-Chip. Decken Sie die obere Platte ab und klemmen Sie sie ein.
Verwenden Sie entweder Elektronenstrahlverdampfung, Ionensputtern oder Magnetron-Sputter-Abscheidungstechnik. Zerlegen Sie das System und inspizieren Sie den E-Chip mit abgeschiedenem Material. Fokussiertes Ionenstrahl- oder FIB-Fräsen.
Bereiten Sie eine TEM-Lamelle mit dem FIB vor. Legen Sie die TEM-Lamelle auf den E-Chip. Stellen Sie sicher, dass Sie durch das Anbringen der Probe am E-Chip die Siliziumnitridmembran nicht beschädigen.
Vorbereitung des CCGR-TEM-Halters. Laden Sie die gewünschte Kalibrierungsdatei herunter. Überprüfen Sie den Widerstand des E-Chips.
Messen Sie den Widerstand der Siliziumkarbidheizung, um sicherzustellen, dass sie sich innerhalb des Vom CCGR-Hersteller bereitgestellten Widerstandsbereichs für diese bestimmte E-Chip-Kalibrierung befindet. Entfernen Sie die Klemme von der Oberseite des Halters. Reinigen Sie die Spitze des CCGR-TEM-Halters mit saugfähigen Papierpunkten oder Druckluft, um sicherzustellen, dass keine Ablagerungen auf den O-Ringhainen verbleiben.
Setzen Sie den Abstandschip in den CCGR-TEM-Halter ein. Platzieren Sie den E-Chip, wobei die Heizkontakte mit dem Flexkabel auf der Halterung die richtigen Verbindungen zu den elektrischen Kontakten herstellen. Dann drehen Sie die Stellschrauben an.
Messen Sie erneut den Widerstand der Siliziumkarbidheizung nach der Montage des CCGR-TEM-Halters, um sicherzustellen, dass er sich innerhalb des Widerstandsbereichs für diese bestimmte E-Chip-Kalibrierung befindet, wie vom CCGR-Hersteller bereitgestellt. Vorbereitung des Versuchsaufbaus. Backen und pumpen Sie das System über Nacht herunter, entweder mit oder ohne angeschlossenen Halter.
Laden Sie den Halter und schließen Sie den Schlauch an. Für das Experiment pumpen und spülen Sie das System mit dem Inertgas. Zum Beispiel zweimal von 100 Torr bis 0,5 Torr.
Vorformen Sie eine Endpumpe und spülen Sie von 100 Torr auf 0,001 Torr. Restgasanalysator. Schalten Sie während des Pump- und Spülvorgangs das RGA-System ein, um das Filament aufzuwärmen.
Die Integration einer RGA mit einem geschlossenzelligen In-situ-Gasreaktorsystem auf einem Stamm liefert die kritischen Messungen, um die Gaszusammensetzung mit der dynamischen Oberflächenentwicklung von Materialien während der Reaktionen zu korrelieren. Die kontinuierliche Gasüberwachung ist unerlässlich, um Reaktionen an Katalysatoren und Strukturmaterialien mit Mischgasen oder im Wechsel von Gasen und Drücken durchzuführen, insbesondere wenn Wasserdampf in das Gasgemisch eingebaut wird. Befestigen Sie das Spülgas am VDS und drehen Sie den Hebelknopf zum Auspuff, dann drehen Sie sich in die Parkposition.
Drücken Sie das VDS durch Strömen von Inertgas dreimal oder bis keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist. Drehen Sie den Knopf in Parkposition und befestigen Sie VDS am Verteiler. Drehen Sie den Knopf, um die Position zu füllen, und entfernen Sie dann die Spülgasleitung.
Stellen Sie den Dampfdruck in der Gassteuerungssoftware auf 18,7 Torr ein. Pumpen Sie das VDS ins Vakuum, was 0,1 Torr entspricht. Füllen Sie das VDS mit Wasser, das über Spritze und Schlauch 2 Millimeter beträgt.
Beachten Sie, dass bei Bedarf von Dampf mit höherer Reinheit zusätzliche Spülschritte erforderlich sind. Ausführen der Reaktion. Stellen Sie sicher, dass alle Gase mit dem Verteiler verbunden sind.
Stellen Sie mit der Atmosphärensoftware unter Benennung die richtigen Gase für die Reaktion ein und speichern Sie die Zeilendatei. Wählen Sie unter E-Chip-Setup die richtige Kalibrierungsdatei für den E-Chip aus und führen Sie die Kalibrierung durch. Unter Pumpen und Spülen siehe Vorbereitung des Versuchsaufbaus.
Wählen Sie unter Gassteuerung die Gaszusammensetzung aus. Wählen Sie unter Temperatur die Heizrate und die Zieltemperatur aus. Starten Sie das Experiment.
Beginnen Sie mit dem Strömen von Gas. Starten Sie die Bildgebung. Gaszusammensetzung aufzeichnen.
Repräsentative Ergebnisse. Beispiel für die in situ CCGR-STEM Ergebnisse. Hellfeld-STEM-Bilder zeigen ein Beispiel für diese Oberflächenentwicklung eines Platin-Nanopartikels auf einem Titanträger, wenn es Wasserdampf ausgesetzt wird.
Strukturelle Veränderungen im Platinpartikel zeigen eine Neuanordnung der Struktur, die mit geringfügigen Formänderungen verbunden ist, während die Gaszusammensetzung überwacht wird. Beenden Sie das Experiment. Schalten Sie die Temperatur aus.
Stoppen Sie das Strömen von Gas. Sitzung beenden. Zusammenfassung. CCGR-STEM ist beispielsweise vorteilhaft für die beschleunigte Entwicklung von Katalysatoren der nächsten Generation mit hoher Haltbarkeit, die für eine Reihe von katalytischen Umwandlungsprozessen wichtig sind, wie z. B. eine katalytische schnelle Pyrolyse der einstufigen Umwandlung von Ethanol in N-Butan und weiter in Kerosin oder CO2-Hydrogeneration und so weiter.
Darüber hinaus kann CCGR-STEM verwendet werden, um das Hochtemperaturoxidationsverhalten von Strukturmaterialien in aggressiven Umgebungen zu untersuchen, um das Verhalten von Materialien nachzuahmen, ähnlich wie beispielsweise in Gasturbinentriebwerksumgebungen oder in Spalt- oder Fusionsreaktoren der nächsten Generation.
