Name: performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00
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Cette recherche a été principalement parrainée par le Programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), géré par UT-Battelle LLC, pour le département de l’Énergie des États-Unis (DOE). Une partie du développement visant à introduire de la vapeur d’eau dans la cellule à gaz in situ a été parrainée par le DOE des États-Unis, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bio-Energy Technologies Office, en vertu du contrat DE-AC05-00OR22725 (ORNL) avec UT-Battle, LLC, et en collaboration avec le Consortium Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio), membre de l’Energy Materials Network (EMN). Ce travail a été rédigé en partie par le National Renewable Energy Laboratory, exploité par Alliance for Sustainable Energy, LLC, pour le DOE des États-Unis en vertu du contrat no. DE-AC36-08GO28308. Une partie de la microscopie a été menée au Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), qui est un bureau d’utilisation des sciences du DOE. Le développement précoce des capacités in situ en STIM a été parrainé par le Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, U.S. DOE.  Nous remercions M. John Damiano, protochips Inc., pour ses discussions techniques utiles. Les auteurs remercient Rosemary Walker et Kase Clapp, équipe de production de l’ORNL, pour leur soutien à la production de films. Les opinions exprimées dans cet article ne représentent pas nécessairement celles du DoE ou du gouvernement des États-Unis. Le gouvernement des États-Unis retient et l’éditeur, en acceptant l’article pour publication, reconnaît que le gouvernement des États-Unis conserve une licence non exclusif, payée, irrévocable et mondiale pour publier ou reproduire la forme publiée de cette œuvre, ou permettre à d’autres de le faire, à des fins du gouvernement des États-Unis.

1. Préparation de la puce électronique
<ol><li>Dépôt direct de poudre par coulée en goutte à partir d’une solution colloïdale(figure 2A).<ol>
<li>Écraser la poudre si les agrégats de particules de poudre sont trop gros. Faites-le à l’aide d’un petit mortier et d’un pilon (les agrégats broyés doivent être de <5 μm). Mélanger une petite quantité (p. ex. ~0,005 mg, quantité déterminée par expérience) de poudre dans 2 mL du solvant (p. ex. isopropanol ou éthanol).<...

<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>

Dans le présent travail, une approche pour effectuer des réactions STEM in situ avec et sans vapeur d’eau est démontrée. L’étape critique du protocole est la préparation de la puce électronique et le maintien de son intégrité pendant la procédure de chargement. La limitation de la technique est (a) la taille de l’échantillon et sa géométrie pour s’adapter à l’écart nominal de 5 μm entre les dispositifs de micropuce en silicium appariés (MEMS) ainsi que (b) une pression totale utilisée...

Il est nécessaire d’obtenir des informations détaillées sur la façon dont un matériau subit des changements structurels et chimiques en cas d’exposition à des gaz réactifs et à des températures élevées. La microscopie électronique (STEM) à transmission à balayage par réaction gazeuse à cellules fermées (CCGR) in situ a été développée spécifiquement pour étudier les changements dynamiques survenant dans un large éventail de systèmes de matériaux (par exemple, catalyseurs, matériaux structurels, nanotubes de carbone, etc.) lorsqu’ils sont soumis à des températures élevées, à différents environnements gazeux et aux pressions du vide à la pleine pression atmosphérique1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Cette approche peut être bénéfique dans plusieurs cas, par exemple, dans le développement accéléré de catalyseurs de nouvelle génération qui sont importants pour un certain nombre de procédés de conversionindustrielle, tels que la conversion en une seule étape de l’éthanol en n-butènes sur Ag-ZrO2/SiO213,les catalyseurs pour la réaction de réduction de l’oxygène et la réaction d’évolution de l’hydrogène dans les applications de piles àcombustible14,15,l’hydrogénation catalytique duCO2 16,la déshydrogénation du méthanol en formaldéhyde ou la déshydratation en éther diméthylique qui utilisent soit des catalyseurs métalliques, soit des nanotubes de carbone à parois multiples dans une réaction de conversion du méthanol en présence d’oxygène17. Les applications récentes de cette technique in situ pour la recherche de catalyse1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 ont fourni de nouvelles informations sur les changements de forme dynamiques du catalyseur10,11,23,faceting7,croissance et mobilité8,20,24. De plus, le CCGR-STEM in situ peut être utilisé pour étudier le comportement d’oxydation à haute température des matériaux structuraux exposés à des environnements agressifs, des moteurs à turbine à gaz aux réacteurs de fission et de fusion de nouvelle génération, où non seulement la résistance, la ténacité à la rupture, la soudabilité ou le rayonnement sont importantes, mais aussi la résistance à l’oxydation à haute température25,26,27,28,29. Spécifiques aux alliages structuraux, les expériences CCGR-STEM in situ permettent un suivi dynamique de la migration des limites des grains induite par la diffusion dans des conditions réductrices9 et des mesures de la cinétique d’oxydation à haute température5,6,30. Pendant plusieurs décennies avant le développement récent des technologies ccgr, des études in situ de réaction des gaz ont été menées à l’aide de TEMs environnementaux dédiés (E-TEMs). Une comparaison détaillée de l’E-TEM et du CCGR-STEM a déjà été abordée10; par conséquent, les capacités E-TEM ne sont pas examinées plus avant dans les travaux en cours.
Dans le cours de ce travail, un système disponible dans le commerce(table des matériaux)comprenant un collecteur contrôlé par ordinateur (système d’administration de gaz) et un support TEM CCGR spécialement conçu qui utilise une paire de dispositifs de micropuce en silicium à base de microélectromécanique (MEMS) (p. ex. puce d’espacement et chauffage à « puce électronique »(table des matériaux))a été utilisé. Chaque puce électronique supporte une membrane SixNy amorphe et transparente par électrons. La puce d’espacement a une membrane SixN y de 50 nmd’épaisseur avec une zone de visualisation de 300 x 300μm 2 et des contacts de « spacer » de photorésine à base époxy (SU-8) de 5 μm d’épaisseur qui sont microfabriqués pour fournir un chemin d’écoulement de gaz et maintenir un décalage physique entre les deux micropuces appariées(Figure 1A). Une partie de la puce électronique est recouverte d’une membrane céramique SiC à faible conductivité ~ 100 nm; la membrane a un réseau de 3 x 2 de trous gravés de 8 μm de diamètre chevauchés par une membrane amorphe SixNy d’environ 30 nm d’épaisseur (zone de visualisation SixNy) (figure 1A et figure 2D),à travers laquelle les images sont enregistrées. La puce électronique joue un double rôle à la fois de support d’éprouvette et de chauffage6. Les contacts Au sont microfabriqués sur la puce E pour permettre le chauffage résistif de la membrane SiC. Chaque puce électronique est étalonnée à l’aide de méthodes d’imagerie par rayonnement infrarouge (IR)(table des matériaux)2 et s’est avérée précise à moins de 5%31±. L’étalonnage de la température est indépendant de la composition et de la pression du gaz, offrant ainsi un contrôle indépendant des températures de réaction dans toutes les conditions de gaz choisies. L’avantage d’un appareil de chauffage à couche mince est que des températures allant jusqu’à 1 000 °C peuvent être atteintes en quelques millisecondes. Afin d’effectuer la réaction, la puce E est placée sur le dessus de la puce d’espacement, créant le « sandwich » à cellules fermées qui isole l’environnement autour de l’échantillon du vide élevé de la colonne TEM. L’avantage de cette configuration est que les réactions peuvent être effectuées à partir de basses pressions jusqu’à la pression atmosphérique (760 Torr) avec des gaz simples ou mixtes et dans des conditions statiques ou d’écoulement. Les dispositifs MEMS sont fixés à l’aide d’une pince(figure 1B)qui permet d’insérer le support dans l’espace de la taille d’un mm de la pièce du poteau de lentille de l’objectif dans un instrument S/TEM corrigéde l’aberration (table des matériaux)(figure 1C). Les supports S/TEM in situ modernes comprennent des tubes micro-fluidiques intégrés (capillaires) qui sont connectés au tube externe en acier inoxydable, qui à son tour est connecté au système d’administration de gaz (collecteur). Un système de contrôle électronique permet la livraison et le flux contrôlés de gaz réactif à travers la cellule à gaz. Le débit et la température du gaz sont exploités par un progiciel personnalisé basé sur un flux de travail fourni par le fabricant(Table des matériaux)10,32. Le logiciel contrôle trois conduites d’entrée de gaz, deux réservoirs internes de livraison de gaz expérimental et un réservoir de réception pour le flux de gaz revenant de la cellule pendant l’expérience(Figure 1D).
En raison de la variabilité des matériaux et de leur facteur de forme, nous nous concentrons d’abord sur plusieurs méthodes de dépôt d’échantillons sur la puce électronique, puis décrivons des protocoles pour effectuer des expériences quantitatives in situ / operando avec une température, un mélange de gaz et un débit contrôlés.

<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

Les réactions gazeuses étudiées par microscopie électronique in situ peuvent être utilisées pour capturer les transformations morphologiques et microchimiques en temps réel des matériaux à des échelles de longueur jusqu’au niveau atomique. Les études in situ de réaction gazeuse à cellules fermées (CCGR) réalisées à l’aide de la microscopie électronique à transmission (STEM) à balayage peuvent séparer et identifier des réactions dynamiques localisées, qui sont extrêmement difficiles à capturer à l’aide d’autres techniques de caractérisation. Pour ces expériences, nous avons utilisé un support CCGR qui utilise des micropuces chauffantes à base de systèmes microélectromécaniques (MEMS) (ci-après appelées « puces électroniques »). Le protocole expérimental décrit ici détaille la méthode d’exécution de réactions gazeuses in situ dans des gaz secs et humides dans un STEM corrigé des aberrations. Cette méthode trouve sa pertinence dans de nombreux systèmes de matériaux différents, tels que la catalyse et l’oxydation à haute température des matériaux structurels à la pression atmosphérique et en présence de divers gaz avec ou sans vapeur d’eau. Ici, plusieurs méthodes de préparation d’échantillons sont décrites pour divers facteurs de forme de matériau. Au cours de la réaction, les spectres de masse obtenus avec un système d’analyseur de gaz résiduel (RGA) avec et sans vapeur d’eau valident davantage les conditions d’exposition aux gaz pendant les réactions. L’intégration d’un RGA à un système CCGR-STEM in situ peut donc fournir un aperçu critique pour corréler la composition du gaz avec l’évolution dynamique de surface des matériaux pendant les réactions. Lesétudes in situ /operando utilisant cette approche permettent une étude détaillée des mécanismes de réaction fondamentaux et de la cinétique qui se produisent dans des conditions environnementales spécifiques (temps, température, gaz, pression), en temps réel et à haute résolution spatiale.

Échantillons pour les réactions gazeuses à cellules fermées à base de MEMS: Dépôt direct de poudre par coulée en gouttes à partir d’une solution colloïdale et à travers un masque Selon le matériau à étudier, il existe un certain nombre de façons différentes de préparer des puces électroniques pour les expériences IN SITU/operando CCGR-STEM. La préparation de la cellule gazeuse pour les études de catalyse nécessite généralement la dispersion des na...

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

Ici, nous présentons un protocole pour effectuer des expériences de réaction gazeuse à cellules fermées TEM in situ tout en détaillant plusieurs méthodes de préparation d’échantillons couramment utilisées.

Exécution de réactions gazeuses in situ à cellules fermées au microscope électronique à transmission

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

Jusqu’à récemment, nous avons analysé les matériaux avant et après certains tests. Cependant, il est nécessaire d’obtenir des informations détaillées sur la façon dont les matériaux subissent des changements structurels et chimiques dans des environnements agressifs à des températures élevées. la réaction gazeuse in situ à cellules fermées, CCGR, électromicroscopie à transmission à balayage a été développée spécifiquement pour cela.Étudier les changements dynamiques en temps réel à des températures élevées dans un environnement gazeux, jusqu’à la pleine pression atmosphérique dans une large gamme de systèmes de matériaux, tels que les catalyseurs, les matériaux structurels, les nanotubes de carbone, etc. En outre, les réactions peuvent être étudiées à différentes échelles de longueur, allant du micron au niveau de l’échelle atomique. C’est très important, car à des grossissements plus faibles, nous pouvons en apprendre beaucoup sur le comportement global du système et extraire des informations cinétiques.Au niveau de l’échelle atomique, nous pouvons en apprendre davantage sur les mécanismes de réaction et la cinétique qui se produisent à la surface ainsi que sur les interfaces spécifiques au site. C’est vraiment remarquable, pour obtenir des images de résolution atomique à la pression atmosphérique, et cela ne peut pas vraiment être fait par des techniques expérimentales. Ce protocole accentue comment exécuter la réaction in situ de gaz de fermé-cellule utilisant l’électromicroscopie in situ.Il met également en évidence la préparation des échantillons et ses défis pour différents matériaux. Dépôt direct de poudre par coulée de gouttes à partir d’une solution colloïdale. Écraser la poudre si les particules de poudre sont trop grosses.Mélanger une petite quantité de poudre et deux millilitres de solvant. Le montant est déterminé par des expériences. Solution de sonicité pendant cinq minutes pour créer une suspension colloïdale.Placez la puce électronique sur le dispositif de retenue de la puce électronique. Déposez la suspension à l’aide d’une micro-pipette directement sur la puce électronique. Nettoyez le contact d’or avec un point de papier absorbant tout en regardant lancer un stéréomicroscope.Dépôt direct de poudre à travers un masque. Placez une nouvelle puce électronique propre sur le dispositif de retenue de la puce électronique. Utilisez et masquez-le et placez-le directement sur E-chip dans le luminaire.Utilisez la plaque supérieure pour serrer une nouvelle puce électronique propre et un masque ensemble dans l’appareil. Déposez une petite quantité de poudre à l’aide d’une spatule directement sur la membrane de nitrure de silicium de la nouvelle puce électronique propre à travers le masque. Faire vibrer doucement le luminaire pour secouer les particules jusqu’à la puce électronique.Cela pourrait être fait en sonication unité et en plaçant le luminaire dans le bécher sec. Secouez l’excès de poudre, dissémpez le système et inspectez le placement de la poudre sur la puce électronique. Méthodes de dépôt par évaporation par faisceau d’électrons, ion ou pulvérisation magnétronique.Créez un masque à motif à l’aide d’une puce d’espacement avec membrane de nitrure de silicium et fenêtre TEM micro poreuse de nitrure de silicium. Utilisez de la colle cyanoacryolée pour la fixer à la fenêtre TEM microporeuse de nitrure de silicium face vers le bas sur l’ouverture de 50 par 250 microns, conformément à la recommandation du fabricant. Répétez ensuite la procédure pour préparer autant de masques de motif que nécessaire pour les puces électroniques.Placez une nouvelle puce électronique propre sur le luminaire de puce électronique. Placez le masque de motif sur la puce électronique. Couvrez la plaque supérieure et serrez-la.Utilisez la technique de dépôt par évaporation par faisceau d’électrons, par pulvérisation d’ions ou par pulvérisation magnétron. Dissemble le système et inspecter la puce électronique avec le matériel déposé. Faisceau d’ions focalisés ou fraisage FIB.Préparez une lamelle TEM à l’aide du FIB. Placez la lamelle TEM sur la puce électronique. Assurez-vous qu’en attachant l’échantillon à la puce électronique, vous n’endommagez pas la membrane de nitrure de silicium.Préparation du titulaire du CCGR-TEM. Téléchargez le fichier d’étalonnage souhaité. Vérifiez la résistance de la puce électronique.Mesurer la résistance du réchauffeur en carbure de silicium pour s’assurer qu’il se situe dans la plage de résistance pour cet étalonnage particulier de la puce électronique, tel que fourni par le fabricant du CCGR. Retirez la pince du haut du support. Nettoyez l’extrémité du support CCGR-TEM à l’aide de points de papier absorbants ou d’air comprimé, en vous assurant qu’il ne reste aucun débris sur les bosquets toriques.Placez la puce d’entretoise dans le support CCGR-TEM. Placez la puce électronique, avec les contacts de chauffage faisant des connexions appropriées aux contacts électriques avec le câble flexible sur le support. Puis serrer les vis de réglage.Mesurer à nouveau la résistance du réchauffeur en carbure de silicium après l’assemblage du support CCGR-TEM pour s’assurer qu’il se situe dans la plage de résistance pour cet étalonnage particulier de la puce électronique fournie par le fabricant du CCGR. Préparation de la configuration expérimentale. Faites cuire et pompez le système pendant la nuit, avec ou sans le support connecté.Chargez le support et connectez le tube. Pour l’expérience, pompez et purgez le système avec le gaz inerte. Par exemple, deux fois de 100 Torr à 0,5 Torr.Préformer une pompe finale et purger de 100 Torr à 0.001 Torr. Analyseur de gaz résiduel. Pendant la procédure de pompage et de purge, allumez le système RGA pour réchauffer le filament.L’intégration d’un RGA avec un système de réacteur à gaz à cellules fermées in situ sur une tige fournit les mesures critiques pour corréler la composition du gaz avec l’évolution dynamique de la surface des matériaux pendant les réactions. La surveillance continue des gaz est essentielle pour effectuer des réactions sur des catalyseurs et des matériaux structurels avec des gaz mélangés ou lors d’une alternance de gaz et de pressions, et en particulier lorsque la vapeur d’eau est incorporée dans le mélange de gaz. Fixez le gaz de purge au VDS et tournez le bouton du levier vers l’échappement, puis tournez vers la position de stationnement.Faites pression sur le VDS en faisant circuler du gaz inerte trois fois, ou jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de liquide. Tournez le bouton en position de stationnement et fixez VDS au collecteur. Tournez le bouton pour remplir la position, puis retirez la conduite de gaz de purge.Réglez la pression de vapeur sur 18,7 Torr dans le logiciel de contrôle des gaz. Pompez le VDS à l’aspirateur, qui est 0.1 Torr. Remplissez le VDS avec de l’eau, qui est de 2 millimètres via une seringue et un tube.Notez que si une vapeur de pureté plus élevée est nécessaire, des étapes de purge supplémentaires sont nécessaires. Exécution de la réaction. Assurez-vous que tous les gaz sont connectés au collecteur.À l’aide du logiciel d’atmosphère sous nommage, définissez les gaz corrects pour la réaction et enregistrez le fichier de ligne. Sous Configuration de la puce électronique, sélectionnez le fichier d’étalonnage approprié pour la puce électronique et exécutez l’étalonnage. Sous pompe et purge, voir préparation de la configuration expérimentale.Sous Contrôle des gaz, sélectionnez la composition du gaz. Sous température, sélectionnez la vitesse de chauffage et la température cible. Démarrez l’expérience.Commencez à faire circuler du gaz. Démarrez l’imagerie. Enregistrer la composition du gaz.Résultats représentatifs. Exemple des résultats in situ du CCGR-STIM. Les images STEM en champ lumineux montrent un exemple de cette évolution de surface d’une nanoparticule de platine sur un support en titane lorsqu’elle est exposée à la vapeur d’eau.Les changements structurels dans la particule de platine montrent un réarrangement de la structure associé à des changements mineurs de forme lors de la surveillance de la composition du gaz. Terminez l’expérience. Éteignez la température.Arrêtez de couler du gaz. Fin de session. résumé. Ccgr-STEM, par exemple, est bénéfique pour le développement accéléré de catalyseurs de prochaine génération avec une durabilité élevée, qui sont importants pour un certain nombre de processus de conversion catalytique, tels que la pyrolyse rapide catalytique conversion en une seule étape de l’éthanol en N-butane et sur le carburéacteur ou l’hydrogénération de CO2 et ainsi de suite.De plus, ccgr-STEM peut être utilisé pour étudier le comportement d’oxydation à haute température des matériaux structuraux dans des environnements agressifs, pour imiter le comportement des matériaux similaire, par exemple, aux environnements de moteurs à turbine à gaz ou aux réacteurs de fission ou de fusion de nouvelle génération.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

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