Name: performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope at JoVE.com

Denne forskning blev primært sponsoreret af Laboratory Directed Research and Development Program of Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der forvaltes af UT-Battelle LLC, for U.S. Department of Energy (DOE). En del af udviklingen til at indføre vanddamp i in situ gascellen blev sponsoreret af U.S. DOE, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bio-Energy Technologies Office, på kontrakt DE-AC05-00OR22725 (ORNL) med UT-Battle, LLC, og i samarbejde med Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) Consortium, et medlem af Energy Materials Network (EMN). Dette arbejde blev forfattet delvist af National Renewable Energy Laboratory, der drives af Alliance for Sustainable Energy, LLC, for den amerikanske DOE under kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. En del af mikroskopi blev udført på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), som er en DOE Office of Science User Facility. Tidlig udvikling af in situ STEM kapaciteter blev sponsoreret af Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, US DOE.  Vi takker Dr. John Damiano, Protochips Inc., for nyttige tekniske diskussioner. Forfatterne takker Rosemary Walker og Kase Clapp, ORNL produktion team, for støtte med filmproduktion. De synspunkter, der udtrykkes i denne artikel, repræsenterer ikke nødvendigvis DOE's eller den amerikanske regerings synspunkter. Den amerikanske regering bevarer og udgiveren, ved at acceptere artiklen til offentliggørelse, anerkender, at den amerikanske regering bevarer en ikke-eksklusiv, betalt op, uigenkaldelig, verdensomspændende licens til at offentliggøre eller reproducere den offentliggjorte form af dette arbejde, eller tillade andre at gøre det, til amerikanske regeringsformål.

1. E-chip forberedelse
<ol><li>Direkte pulveraflejring ved dråbestøbning fra en kolloid opløsning (Figur 2A).<ol>
<li>Knus pulveret, hvis pulverpartikelaggregaterne er for store. Gør dette ved hjælp af en lille mørtel og støder (knuste aggregater skal være <5 μm i størrelse). Der blandes en lille mængde (f.eks. ~0,005 mg, mængde bestemt af erfaring) af pulver i 2 mL opløsningsmiddel (f.eks. isopropanol eller ethanol).</li>
		<li>Sonicate blandingen i ca 5 min for at skabe en k...

<ol>
	<li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+MEMS-based+system+for+ultra-high-resolution+imaging+at+elevated+temperatures.">A new MEMS-based system for ultra-high-resolution imaging at elevated temperatures.</a> Microscopy Research and Technique. 72 (3), 208-215 (2009).</li><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+MEMS-based+gas-cell/heating+specimen+holder+provides+advanced+imaging+capabilities+for+in+situ+reaction+studies.">Novel MEMS-based gas-cell/heating specimen holder provides advanced imaging capabilities for in situ reaction studies.</a> Microscopy and Microanalysis. 18 (4), 656-666 (2012).</li><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovative+closed-cell+reactor+permits+in+situ+heating+and+gas+reactions+with+atomic+resolution+at+atmospheric+pressure.">Innovative closed-cell reactor permits in situ heating and gas reactions with atomic resolution at atmospheric pressure.</a> Microscopy and Microanalysis. 18 (2), 1118-1119 (2012).</li><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+in+situ+gas+reaction+studies+of+catalysts+at+high+temperature+and+pressure+with+atomic+resolution.">Controlled in situ gas reaction studies of catalysts at high temperature and pressure with atomic resolution.</a> Microscopy and Microanalysis. 20 (3), 1572-1573 (2014).</li><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=computer-controlled+in+situ+gas+reactions+via+a+mems-based+closed-cell+system.">computer-controlled in situ gas reactions via a mems-based closed-cell system.</a> Microscopy and Microanalysis. 21 (3), 97-98 (2015).</li><li>Unocic, K. A., Shin, D., Unocic, R. R., Allard, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NiAl+oxidation+reaction+processes+studied+in+situ+using+MEMS-based+closed-cell+gas+reaction+transmission+electron+microscopy.">NiAl oxidation reaction processes studied in situ using MEMS-based closed-cell gas reaction transmission electron microscopy.</a> Oxidation of Metals. 88 (3-4), 495-508 (2017).</li><li>Dai, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Revealing+surface+elemental+composition+and+dynamic+processes+involved+in+facet-dependent+oxidation+of+Pt3Co+nanoparticles+via+in+situ+transmission+electron+microscopy.">Revealing surface elemental composition and dynamic processes involved in facet-dependent oxidation of Pt3Co nanoparticles via in situ transmission electron microscopy.</a> Nano Letters. 17 (8), 4683-4688 (2017).</li><li>Dai, S., Zhang, S., Katz, M. B., Graham, G. W., Pan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+observation+of+Rh-CaTiO3+catalysts+during+reduction+and+oxidation+treatments+by+transmission+electron+microscopy.">In Situ observation of Rh-CaTiO3 catalysts during reduction and oxidation treatments by transmission electron microscopy.</a> ACS Catalysis. 7 (3), 1579-1582 (2017).</li><li>Burke, M. G., Bertali, G., Prestat, E., Scenini, F., Haigh, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+in+situ+analytical+transmission+electron+microscopy+to+the+study+of+preferential+intergranular+oxidation+in+Alloy+600.">The application of in situ analytical transmission electron microscopy to the study of preferential intergranular oxidation in Alloy 600.</a> Ultramicroscopy. 176, 46 (2017).</li><li>Unocic, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Introducing+and+controlling+water+vapor+in+closed-cell+in+situ+electron+microscopy+gas+reactions.">Introducing and controlling water vapor in closed-cell in situ electron microscopy gas reactions.</a> Microscopy and Microanalysis. 26 (2), 229-239 (2020).</li><li>Vendelbo, S. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+oscillatory+behaviour+of+Pt+nanoparticles+catalysing+CO+oxidation.">Visualization of oscillatory behaviour of Pt nanoparticles catalysing CO oxidation.</a> Nature Materials. 13 (9), 884-890 (2014).</li><li>Moliner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reversible+transformation+of+Pt+nanoparticles+into+single+atoms+inside+high-silica+chabazite+zeolite.">Reversible transformation of Pt nanoparticles into single atoms inside high-silica chabazite zeolite.</a> Journal of the American Chemical Society. 138 (48), 15743-15750 (2016).</li><li>Dagle, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-step+conversion+of+ethanol+to+n-butenes+over+Ag-ZrO2/SiO2+catalysts.">Single-step conversion of ethanol to n-butenes over Ag-ZrO2/SiO2 catalysts.</a> ACS Catalyst. 10 (18), 10602-10613 (2020).</li><li>Chi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+faceting+and+elemental+diffusion+behaviour+at+atomic+scale+for+alloy+nanoparticles+during+in+situ+annealing.">Surface faceting and elemental diffusion behaviour at atomic scale for alloy nanoparticles during in situ annealing.</a> Nature Communications. 6 (1), 1-9 (2015).</li><li>Zhao, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-iron+site+catalysts+with+self-assembled+dual-size+architecture+and+hierarchical+porosity+for+proton-exchange+membrane+fuel+cells.">Single-iron site catalysts with self-assembled dual-size architecture and hierarchical porosity for proton-exchange membrane fuel cells.</a> Applied Catalysis B: Environmental. 279, 119400 (2020).</li><li>Baddour, F. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Exceptionally+mild+and+scalable+solution-phase+synthesis+of+molybdenum+carbide+nanoparticles+for+thermocatalytic+CO2+hydrogenation.">An Exceptionally mild and scalable solution-phase synthesis of molybdenum carbide nanoparticles for thermocatalytic CO2 hydrogenation.</a> Journal of the American Chemical Society. 142 (2), 1010-1019 (2019).</li><li>Yan, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methanol+oxidative+dehydrogenation+and+dehydration+on+carbon+nanotubes:+active+sites+and+basic+reaction+kinetics.">Methanol oxidative dehydrogenation and dehydration on carbon nanotubes: active sites and basic reaction kinetics.</a> Sustainable Energy Fuels. 10, 4952-4959 (2020).</li><li>Unocic, R. R., Jungjohann, K., Mehdi, B. L., Browning, N. D., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+electrochemical+scanning/transmission+electron+microscopy+of+electrode-electrolyte+interfaces.">In situ electrochemical scanning/transmission electron microscopy of electrode-electrolyte interfaces.</a> MRS Bulletin. 45, 1-8 (2020).</li><li>LaGrow, A. P., Lloyd, D. C., Gai, P. L., Boyes, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+scanning+transmission+electron+microscopy+of+Ni+nanoparticle+redispersion+via+the+reduction+of+hollow+NiO.">In situ scanning transmission electron microscopy of Ni nanoparticle redispersion via the reduction of hollow NiO.</a> Chemistry of Materials. 30 (1), 197-203 (2017).</li><li>Liu, L., Zakharov, D. N., Arenal, R., Concepcion, P., Stach, E. A., Corma, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+and+stabilization+of+subnanometric+metal+species+in+confined+space+by+in+situ+TEM.">Evolution and stabilization of subnanometric metal species in confined space by in situ TEM.</a> Nature Communications. 9 (1), 574 (2018).</li><li>Wu, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+redox+dynamics+of+a+single+Ag/AgCl+heterogeneous+nanocatalyst+at+atomic+resolution.">Visualizing redox dynamics of a single Ag/AgCl heterogeneous nanocatalyst at atomic resolution.</a> ACS Nano. 10 (3), 3738-3746 (2016).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complex+structural+dynamics+of+nanocatalysts+revealed+in+operando+conditions+by+correlated+imaging+and+spectroscopy+probes.">Complex structural dynamics of nanocatalysts revealed in operando conditions by correlated imaging and spectroscopy probes.</a> Nature Communications. 6 (1), 7583 (2015).</li><li>Hansen, P. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atom-resolved+imaging+of+dynamic+shape+changes+in+supported+copper+nanocrystals.">Atom-resolved imaging of dynamic shape changes in supported copper nanocrystals.</a> Science. 295 (5562), 2053-2055 (2002).</li><li>Creemer, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-scale+electron+microscopy+at+ambient+pressure.">Atomic-scale electron microscopy at ambient pressure.</a> Progress in Materials Science. 108, 993-998 (2008).</li><li>Was, G. S., Petti, D., Ukai, S., Zinkle, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+for+future+nuclear+energy+systems.">Materials for future nuclear energy systems.</a> Journal of Nuclear Materials. 527, 151837 (2019).</li><li>Unocic, K. A., Yamamoto, Y., Pint, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Al+and+Cr+content+on+air+and+steam+oxidation+of+FeCrAl+alloys+and+commercial+APMT+alloy.">Effect of Al and Cr content on air and steam oxidation of FeCrAl alloys and commercial APMT alloy.</a> Oxidation of Metals. 87 (3-4), 431-441 (2017).</li><li>Zinkle, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fusion+materials+science+and+technology+research+opportunities+now+and+during+the+ITER+era.">Fusion materials science and technology research opportunities now and during the ITER era.</a> Fusion Engineering and Design. 89 (7-8), 1579-1585 (2014).</li><li>Quadakkers, W. J., Olszewski, T., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxidation+of+metallic+materials+in+simulated+CO2/H2O-rich+service+environments+relevant+to+an+oxyfuel+plant.">Oxidation of metallic materials in simulated CO2/H2O-rich service environments relevant to an oxyfuel plant.</a> Materials Science Forum. 696, 194-199 (2011).</li><li>Gleeson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+barrier+coatings+for+aeroengine+applications.">Thermal barrier coatings for aeroengine applications.</a> Journal of Propulsion and Power. 22 (2), 375-383 (2006).</li><li>Unocic, K. A., Allard, L. F., Coffey, D. W., More, K. L., Unocic, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+method+for+precision+controlled+heating+of+TEM+thin+sections+to+study+reaction+processes.">Novel method for precision controlled heating of TEM thin sections to study reaction processes.</a> Microscopy and Microanalysis. 20, 1628-1629 (2014).</li><li>Idrobo, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+measurement+by+a+nanoscale+electron+probe+using+energy+gain+and+loss+spectroscopy.">Temperature measurement by a nanoscale electron probe using energy gain and loss spectroscopy.</a> Physical Review Letters. 120 (9), 095901 (2018).</li><li>Unocic, K. A., Datye, A. K., Bigelow, W. C., Allard, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+vapor+in+closed-cell+in+situ+gas+reactions:+Initial+experiments.">Water vapor in closed-cell in situ gas reactions: Initial experiments.</a> Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 940-941 (2017).</li><li>Allard, L. F., Meyer, H. M., Hensley, D. K., Bigelow, W. C., Unocic, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Model+"alloy"+specimens+for+MEMS-based+closed-cell+gas-reactions.">Model "alloy" specimens for MEMS-based closed-cell gas-reactions.</a> Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 908-909 (2017).</li><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+utility+of+Xe-plasma+FIB+for+preparing+aluminum+alloy+specimens+for+MEMS-based+in+situ+double-tilt+heating+experiments.">The utility of Xe-plasma FIB for preparing aluminum alloy specimens for MEMS-based in situ double-tilt heating experiments.</a> Microscopy and Microanalysis. 25 (2), 1442-1443 (2019).</li><li>Schilling, S., Janssen, A., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practical+aspects+of+electrochemical+corrosion+measurements+during+in+situ+analytical+transmission+electron+microscopy+(TEM)+of+austenitic+stainless+steel+in+aqueous+media.">Practical aspects of electrochemical corrosion measurements during in situ analytical transmission electron microscopy (TEM) of austenitic stainless steel in aqueous media.</a> Microscopy and Microanalysis. 23 (4), 741-750 (2017).</li><li>Zhong, X. L., Schilling, S., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sample+preparation+methodologies+for+in+situ+liquid+and+gaseous+cell+analytical+transmission+electron+microscopy+of+electropolished+specimens.">Sample preparation methodologies for in situ liquid and gaseous cell analytical transmission electron microscopy of electropolished specimens.</a> Microscopy and Microanalysis. 22 (6), 1350-1359 (2016).</li><li>Duchamp, M., Xu, Q., Dunin-Borkowski, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Convenient+preparation+of+high-quality+specimens+for+annealing+experiments+in+the+transmission+electron+microscope.">Convenient preparation of high-quality specimens for annealing experiments in the transmission electron microscope.</a> Microscopy and Microanalysis. 20 (6), 1638-1645 (2014).</li><li>Unocic, K. A., Mills, M. J., Daehn, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+gallium+focused+ion+beam+milling+on+preparation+of+aluminum+thin+foils.">Effect of gallium focused ion beam milling on preparation of aluminum thin foils.</a> Journal of Microscopy. 240 (3), 227-238 (2010).</li><li>Unocic, R. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+battery+chemistry+with+liquid+cell+electron+energy+loss+spectroscopy.">Probing battery chemistry with liquid cell electron energy loss spectroscopy.</a> Chemical Communications. 51 (91), 16377-16380 (2015).</li></ol>

I det nuværende arbejde demonstreres en tilgang til at udføre in situ STEM-reaktioner med og uden vanddamp. Det kritiske trin i protokollen er E-chip forberedelse og vedligeholdelse af dens integritet under indlæsningsproceduren. Begrænsningen af teknikken er (a) prøvestørrelsen og dens geometri, så den passer til det nominelle mellemrum på 5 μ m mellem parrede (MEMS)-baserede siliciummikrochipenheder samt (b) et samlet tryk, der anvendes i forsøgene med vanddamp, da det højeste samlede tryk afhænger...

Der er behov for at indhente detaljerede oplysninger om, hvordan et materiale undergår strukturelle og kemiske ændringer under reaktiv gaseksponering og ved forhøjede temperaturer. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) scanning transmission electron mikroskopi (STEM) blev udviklet specielt til at studere de dynamiske ændringer, der forekommer i en bred vifte af materialesystemer (f.eks. katalysatorer, strukturelle materialer, kulstof nanorør, osv.), når de udsættes for forhøjede temperaturer, forskellige gasformige miljøer, og tryk fra vakuum til fuld atmosfærisk tryk1,2 ,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Denne tilgang kan være gavnlig i flere tilfælde, f.eks. i den accelererede udvikling af næste generations katalysatorer, der er vigtige for en række industrielle omstillingsprocesser, såsom entrinskonvertering af ethanol til n-butene over Ag-ZrO2/SiO213, katalysatorer for iltreduktionsreaktionen og hydrogenudviklingsreaktionen i brændselscelleanvendelser14,15, katalytisk CO2-hydrogenering 16, methanoldehydrogenation til formaldehyd eller dehydrering til dimethylether , der bruger enten metalkatalysatorer eller flervæggede carbon nanorør i en methanolreaktionskonvertering i overværelse af ilt17. Nylige anvendelser af denne in situ-teknik til katalyseforskning1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 har givet ny indsigt i katalysatordynamiske formændringer10,11,23, facetter7, vækst og mobilitet8,20,24. Desuden kan in situ CCGR-STEM bruges til at undersøge højtemperaturoxidationsadfærden af strukturelle materialer, der udsættes for aggressive miljøer, fra gasturbinemotorer til næste generations fissions- og fusionsreaktorer, hvor ikke kun styrke, brudsejhed, svejsbarhed eller stråling er vigtige, men også højtemperaturoxidationsresistens25,26,27,28,29. Specifikke for strukturelle legeringer, in situ CCGR-STEM-forsøg giver mulighed for dynamisk sporing af diffusionsinduceret korngrænsemigration under reducerende forhold9 og målinger af oxidationskinetik ved høj temperatur5,6,30. I flere årtier forud for den nylige udvikling af CCGR-teknologier blev in situ-gasreaktionsundersøgelser udført ved hjælp af dedikerede miljømæssige TEM'er (E-TEMs). En detaljeret sammenligning af E-TEM og CCGR-STEM er tidligere blevet behandlet10; E-TEM-kapaciteter drøftes derfor ikke yderligere i det nuværende arbejde.
I dette arbejde blev der anvendt et kommercielt tilgængeligt system(Tabel over materialer),der omfatter en computerstyret mangfoldighed (gasleveringssystem) og en specialdesignet CCGR TEM-holder, der anvender et par mikroelektronik-baserede siliciummikrochipanordninger (f.eks. afstandschip og "E-chip" varmelegeme (Tabel over materialer)). Hver E-chip understøtter en amorf, elektron-gennemsigtig SixNy membran. Afstandschippen har en 50 nm tyk SixNy membran med en 300 x 300 μm2 visningsområde og 5 μm tyk epoxybaseret fotoresist (SU-8) "afstandskontakter", der er mikrofabricated for at give en gasstrømsvej og opretholde en fysisk forskydning mellem de to parrede mikrochips (Figur 1A). En del af E-chippen er dækket af en lav ledningsevne ~100 nm SiC keramisk membran; membranen har en 3 x 2 matrix af 8 μm-diameter ætsede huller overlappet af en ~ 30 nm tyk amorf SixNy membran (SixNy visningsområde)(Figur 1A og Figur 2D), hvorigennem billeder optages. E-chippen har en dobbelt rolle som både prøvestøtte og varmelegeme6. Au kontakter er mikrofabricated på E-chip for at give mulighed for resistiv opvarmning af SiC membranen. Hver E-chip er kalibreret ved hjælp af infrarød stråling (IR) billeddannelse metoder(Tabel over materialer)2 og har vist sig at være nøjagtig inden for ±5%31. Temperaturkalibrering er uafhængig af gassammensætningen og trykket, hvilket giver uafhængig kontrol over reaktionstemperaturer under alle valgte gasforhold. Fordelen ved en tyndfilmsvarmer er, at temperaturer på op til 1.000 °C kan nås inden for millisekunder. For at udføre reaktionen placeres E-chippen på toppen af afstandschippen, hvilket skaber den lukkede celle "sandwich", der isolerer miljøet omkring prøven fra TEM-kolonnens høje vakuum. Fordelen ved dette setup er, at reaktioner kan udføres fra lavtryk op til atmosfærisk tryk (760 Torr) med enkelt eller blandet gas og under statiske eller flow betingelser. MEMS-enhederne er fastgjort med en klemme (Figur 1B), der gør det muligt at indsætte holderen i mm-størrelse hul af den objektive linse pole brik i en afvigelse-korrigeret S / TEM instrument(Tabel over materialer) ( Figur1C). Moderne in situ S/TEM-holdere omfatter integrerede mikrovæskerør (kapillærer), der er forbundet med den eksterne rør i rustfrit stål, som igen er forbundet til gasleveringssystemet (manifold). Et elektronisk kontrolsystem tillader kontrolleret levering og strøm af reaktangas gennem gascellen. Gasstrømmen og temperaturen drives af en brugerdefineret softwarepakke, der leveres af producenten (Tabel over materialer)10,32. Softwaren styrer tre gastilførselslinjer, to interne eksperimentelle gasleveringstanke og en modtagetank til gasstrøm, der vender tilbage fra cellen under eksperimentet (Figur 1D).
På grund af materialernes variation og deres formfaktor fokuserer vi først på flere prøveaflejringsmetoder på E-chippen og skitserer derefter protokoller til udførelse af kvantitative in situ/ operando-eksperimenter med kontrolleret temperatur, gasblanding og flow.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atmosphere Clarity Software</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>6.5.14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atmosphere Large Heating E-chips, 300 x 300 window, no spacer</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>EAT-33AA-10</td>
			<td>microchip device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atmosphere Small E-chips, 300 x 300 micron window, 5 micron SU-8 spacer</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>EAB-33W-10</td>
			<td>microchip device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JEOL 2200FS</td>
			<td>JEOL</td>
			<td></td>
			<td>microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M-bond 610</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>50410-30</td>
			<td>cyanoacrylate (CA) glue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mikron M9103 IR camera</td>
			<td>Micron</td>
			<td></td>
			<td>This is used by Protochips/ not available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protochips &#8220;Fusion&#8221; E-chips</td>
			<td>Protochips</td>
			<td></td>
			<td>spacer chip with removed SixNy membrane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protochips Atmosphere 200</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>prototype</td>
			<td>software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Residual Gas Analyzer R100 (RGA)</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td>R100 SRS</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope

Gasreaktioner undersøgt af in situ elektronmikroskopi kan bruges til at fange de realtidsmorfologiske og mikrokemiske transformationer af materialer i længden skalerer ned til atomniveauet. In situ-undersøgelser af lukkede cellers gasreaktion (CCGR), der udføres ved hjælp af (scanning) transmissionselektronmikroskopi (STEM), kan adskille og identificere lokaliserede dynamiske reaktioner, som er ekstremt udfordrende at fange ved hjælp af andre karakteriseringsteknikker. Til disse eksperimenter brugte vi en CCGR-holder, der bruger mikroelektronik-baserede varmemikrochips (i det følgende benævnt "E-chips"). Den her beskrevne forsøgsprotokol beskriver metoden til udførelse af in situ-gasreaktioner i tørre og våde gasser i et aberrationskorrigeret STEM. Denne metode finder relevans i mange forskellige materialesystemer, såsom katalyse og højtemperaturoxidation af strukturelle materialer ved atmosfærisk tryk og i nærværelse af forskellige gasser med eller uden vanddamp. Her beskrives flere prøveforberedelsesmetoder for forskellige materialeformfaktorer. Under reaktionen validerer massespektre opnået med et resterende gasanalysatorsystem (RGA) med og uden vanddamp yderligere gaseksponeringsbetingelser under reaktioner. Integration af en RGA med et in situ CCGR-STEM-system kan derfor give kritisk indsigt i korrelere gassammensætningen med den dynamiske overfladeudvikling af materialer under reaktioner. In situ/operando-undersøgelser ved hjælp af denne tilgang giver mulighed for detaljeret undersøgelse af de grundlæggende reaktionsmekanismer og kinetik, der opstår under specifikke miljøforhold (tid, temperatur, gas, tryk), i realtid og ved høj rumlig opløsning.

Prøver til MEMS-baserede gasreaktioner med lukket celle: Direkte pulveraflejring ved drop casting fra en kolloid opløsning og gennem en maske Afhængigt af det materiale, der skal undersøges, er der en række forskellige måder at forberede E-chips til in situ/operando CCGR-STEM-eksperimenter. Forberedelse af gascellen til katalyseundersøgelser kræver typisk spredning af katalysatornanopartiklerne på E-chippen enten fra en kolloid væskeaffjedring (<strong class="xfi...

Watch this Scientific Journal Video about Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope at JoVE.com

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Her præsenterer vi en protokol for udførelse af in situ TEM lukkede celler gasreaktion eksperimenter, mens beskriver flere almindeligt anvendte prøve forberedelse metoder.

Udførelse in situ lukket celle gasreaktioner i transmissionselektronmikroskopet

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at ...

I op til for nylig analyserede vi materialer før og efter visse test. Der er dog behov for at indhente detaljerede oplysninger om, hvordan materialet undergår strukturelle og kemiske ændringer under aggressive miljøer ved forhøjede temperaturer. in situ lukket celle gas reaktion, CCGR, scanning transmission elektromikroskopi blev udviklet specielt til dette.At studere de dynamiske ændringer i realtid ved forhøjede temperaturer i et gasmiljø, op til fuldt atmosfærisk tryk i en lang række materialesystem, såsom katalysatorer, strukturelle materialer, kulstof nanorør, og så videre. Desuden kan reaktionerne studeres på forskellige længdeskalaer, alt fra mikron ned til atomskalaniveau. Dette er meget vigtigt, fordi vi ved lavere forstørrelser kan lære meget om den samlede systemadfærd og udtrække kinetiske oplysninger.Mens vi er på atomskalaniveau, kan vi lære om reaktionsmekanismer og kinetik, der opstår på overfladen såvel som de grænseflader, der er stedsspecifikke. Dette er virkelig bemærkelsesværdigt, at opnå atomare opløsning billeder ved atmosfærisk tryk, og det kan ikke rigtig gøres ved nogen eksperimentelle teknikker. Denne protokol fremhæver, hvordan man udfører in situ lukket celle gasreaktion ved hjælp af in situ elektromikroskopi.Den fremhæver også prøveforberedelse og dens udfordringer for forskellige materialer. Direkte pulveraflejring ved drop casting fra en kolloid opløsning. Knus pulveret, hvis pulverpartiklerne er for store.Bland en lille mængde pulver og to milliliter opløsningsmiddel. Beløbet bestemmes af eksperimenter. Sonicate opløsning i fem minutter for at skabe en kolloid suspension.Placer E-chippen på E-chippens fastholdelsesarm. Drop kastede suspensionen ved hjælp af en mikro-pipette direkte på E-chippen. Rengør guldkontakten med et absorberende papirpunkt, mens du ser kaste et stereomikroskop.Direkte pulveraflejring gennem en maske. Placer en ny ren E-chip på E-chip fastholde armaturet. Brug og maske og læg den direkte på E-chip i armaturet.Brug toppladen til at klemme en ny ren E-chip og en maske sammen i armaturet. Aflejr en lille mængde af pulveret ved hjælp af en spatel direkte på siliciumnitridmembranen i den nye rene E-chip gennem masken. Vibrer forsigtigt armaturet for at ryste partiklerne ned til E-chippen.Dette kunne gøres ved sonikering enhed og placere armaturet i det tørre bægerglas. Ryst det overskydende pulver af, dissemble systemet og inspicere placeringen af pulver på E-chippen. Deposition metoder ved enten elektronstråle fordampning, ion, eller magnetron sputtering.Opret en mønstermaske ved hjælp af en afstandschip med siliciumnitridmembran og siliciumnitrid mikroporøsT TEM-vindue. Brug cyanoacryolatlim til at fastgøre mikroporøs TEM-vindue med siliciumnit i forhold til åbningen på 50 og 250 mikron efter fabrikantens anbefaling. Gentag derefter proceduren for at forberede så mange mønstermasker som nødvendigt til E-chips.Placer en ny ren E-chip på E-chip armaturet. Placer mønstermasken på E-chippen. Dæk toppladen og klem den fast.Brug enten elektronstråle fordampning, ion sputtering eller magnetron sputtering deposition teknik. Dissemble systemet og inspicere E-chip med deponeret materiale. Fokuseret ionstråle eller FIB-fræsning.Forbered en TEM lamella ved hjælp af FIB. Placer TEM lamella på E-chippen. Sørg for, at du ved at fastgøre prøven til E-chippen ikke beskadiger siliciumnitridmembranen.Forberedelse af CCGR-TEM-indehaveren. Hent den ønskede kalibreringsfil. Kontroller E-chippens modstand.Mål siliciumcarbidvarmerens modstand for at sikre, at den ligger inden for modstandsområdet for den pågældende E-chip-kalibrering som fastsat af CCGR-producenten. Fjern klemmen fra toppen af holderen. Rengør spidsen af CCGR-TEM-holderen ved hjælp af absorberende papirpunkter eller trykluft, og sørg for, at der ikke er snavs tilbage på O-ringlundene.Placer afstandschippen i CCGR-TEM-holderen. Placer E-chippen, hvor varmeapparatet kommer i kontakt med holderen, og der er passende forbindelser til de elektriske kontakter med flexkablet på holderen. Derefter drejningsmoment sættet skruer.Mål igen modstanden af siliciumcarbidvarmeren efter montering af CCGR-TEM-holderen for at sikre, at den ligger inden for modstandsområdet for den pågældende E-chipkalibrering som leveret af CCGR-producenten. Forberedelse af eksperimentel opsætning. Bages og pumpes ned i systemet i løbet af natten, enten med eller uden holderen tilsluttet.Lad holderen og tilslut slangen. Til eksperimentet pumpes og renses systemet med den inerte gas. For eksempel to gange fra 100 Torr til 0,5 Torr.Forform en sidste pumpe og fjern fra 100 Torr til 0,001 Torr. Resterende gasanalysator. Under pumpe- og udrensningsproceduren skal du tænde for RGA-systemet for at varme glødetråden op.Integration af en RGA med en in situ lukket celle gas reaktor system på en stilk, giver de kritiske målinger til at korrelere gas sammensætning med dynamisk overflade udvikling af materialer under reaktioner. Kontinuerlig gasovervågning er afgørende for at kunne reagere på katalysatorer og strukturelle materialer med blandede gasser eller under vekslende gasser og tryk, og især når vanddamp er indbygget i gasblandingen. Fastgør rensegassen til VDS'en, og drej håndtagsknappen til udstødningen, og drej derefter til parkpositionen.Tryk VDS ved at flyde inert gas tre gange, eller indtil der ikke mere væske er til stede. Drej knappen for at parkere position og fastgør VDS til manifolden. Drej knappen for at udfylde positionen og fjern derefter rensegasledningen.Indstil damptrykket til 18,7 Torr i gasstyringssoftwaren. Pump VDS til vakuum, som er 0,1 Torr. Fyld VDS med vand, som er 2 millimeter via sprøjte og slange.Bemærk, at hvis der er behov for højere renhedsdampe, kræves der yderligere udrensningstrin. Kører reaktionen. Sørg for, at alle gasserne er forbundet til manifolden.Brug atmosfæren software under navngivning, indstille de korrekte gasser til reaktionen og gemme rækkefilen. Vælg den korrekte kalibreringsfil til E-chippen under Opsætning af E-chip, og kør kalibrering. Under pumpe og udrensning, se forberedelse af eksperimentelle setup.Vælg gassammensætningen under Gaskontrol. Under temperatur skal du vælge varmehastigheden og måltemperaturen. Start eksperimentet.Begynd at flyde gas. Begynd at lave billeder. Optag gassammensætning.Repræsentative resultater. Eksempel på resultaterne af CCGR-STEM på stedet. Bright field STEM-billeder viser et eksempel på denne overfladeudvikling af en platin nanopartikel på en titaniumstøtte, når de udsættes for vanddamp.Strukturelle ændringer i platinpartiklerne viser omlægning af struktur forbundet med mindre formændringer, mens gassammensætningen overvåges. Afslut eksperimentet. Sluk for temperaturen.Stop strømmende gas. Afslut sessionen. resumé. CCGR-STEM er for eksempel gavnlig for accelereret udvikling af næste generations katalysatorer med høj holdbarhed, som er vigtige for en række katalytiske konverteringsprocesser, såsom en katalytisk hurtig pyrolyse enkelttrinskonvertering af ethanol til N-butan og videre til jetbrændstof eller CO2-vandkraft og så videre.Desuden kan CCGR-STEM bruges til at undersøge højtemperaturoxidationsadfærd af strukturelle materialer i aggressive miljøer, til at efterligne materialers adfærd, der ligner f.eks. gasturbinemotormiljøer eller til næste generations fissions- eller fusionsreaktorer.

Research

JoVE Journal

Engineering

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Afslørende dynamiske processer af materialer i væsker ved brug Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Tidsafhængig Dielektriske Opdeling i Transmission Electron Microscope: En Mulighed for at forstå Manglende Mechanism i mikroelektroniske indretninger

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Omfattende karakterisering af Extended Fejl i Semiconductor Materials af en Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering af Ultra-finkornede og Nanokrystallinske Materialer Brug Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

En metode til at indhente seriel ultratynde sektioner af mikroorganismer i transmissions Elektron Mikroskopi

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Metoder til Ex Situ og In Situ undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

Skalerbare Quantum integrerede kredsløb på superledende todimensionale elektron Gasplatform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Encifrede Nanometer Electron-Beam litografi med en Aberration-korrigeret Scanning transmissions elektron mikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fremstilling af asymmetriske overliggere baseret på blandet faset en-VOx