Name: performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00
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이 연구는 주로 미국 에너지부(DOE)를 위해 UT-Battelle LLC가 관리하는 오크 리지 국립 연구소(ORNL)의 실험실 감독 연구 개발 프로그램에 의해 후원되었습니다. 시투 가스 전주에 수증기를 도입하기 위한 개발의 일환으로 미국 DOE, 에너지 효율 및 신재생 에너지 사무소, 바이오 에너지 기술 사무소, UT-Battle, LLC와 계약 및 바이오 에너지 용 화학 촉매(ChemBioBio) 컨소시엄(ChemBioBio) 컨소시엄의 화학 촉매(ChemBioBio) 컨소시엄과 협력하여 후원했습니다. 이 작품은 지속 가능한 에너지, LLC에 대한 얼라이언스가 운영하는 국립 신 재생 에너지 연구소가 부분적으로 저술했습니다. DE-AC36-08GO28308. 현미경 검사법의 일부는 과학 사용자 시설의 DOE 사무실인 나노 위상 재료 과학 센터 (CNMS)에서 수행되었습니다. 시투 STEM 기능의 조기 개발은 추진 재료 프로그램, 차량 기술 사무소, 미국 DOE에 의해 후원되었다.  우리는 유용한 기술 적 토론을 위해 박사 존 다미아노, 프로토 칩스 Inc.에 감사드립니다. 저자는 로즈메리 워커와 케이시 클랩, ORNL 제작 팀에게 영화 제작지원을 부탁한다. 이 문서에 표현된 견해가 반드시 DOE 또는 미국 정부의 견해를 나타내는 것은 아닙니다. 미국 정부는 출판 기사를 수락함으로써 미국 정부가 이 작품의 출판양식을 출판 또는 재현할 수 있는 비독점적, 지급, 돌이킬 수 없는 전 세계 라이센스를 보유하거나, 다른 사람들이 미국 정부의 목적을 위해 그렇게 하도록 허용한다는 사실을 인정하고 있습니다.

1. 전자 칩 준비
<ol><li>콜로이드 용액(도2A)으로부터드롭 캐스팅에 의한 직접 분말 증착.<ol>
<li>분말 입자 응집체가 너무 크면 분말을 분쇄하십시오. 작은 박격포와 유봉을 사용하여 이 작업을 수행하십시오 (분쇄 된 골재는 크기<5 μm여야합니다). 소량(예를 들어, ~0.005 mg, 경험에 의해 결정된 양)을 용매의 2mL(예를 들어, 이소프로판올 또는 에탄올)에 분말을 혼합한다.</li>
		<li...

<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. 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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>

본 작업에서, 수증기의 유무에 관계없이 시투 STEM 반응에서 수행되는 접근법이 입증된다. 프로토콜 내에서 중요한 단계는 E-칩 을 준비하고 로딩 절차 중에 무결성을 유지하는 것입니다. 기술의 한계는 (a) 표본 크기 및 그 형상이 짝을 이루는 (MEMS)-기반 실리콘 마이크로칩 장치 사이의 명목 5-μm 갭뿐만 아니라 (b) 수증기를 사용한 실험에 사용되는 총 압력은 수증기6의양에 ...

반응성 가스 노출 및 높은 온도에서 재료가 구조 및 화학 적 변화를 겪는 방법에 대한 자세한 정보를 얻을 필요가있다. 현장 폐쇄 세포 가스 반응(CCGR) 스캐닝 전송 전자 현미경(STEM)은 높은 온도, 상이한 기체 환경 및 진공에서 전체 대기압1,2,3,4,5, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 60, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 6. 이 방법은 예를 들어 여러 경우에 도움이 될 수 있습니다. 에탄올의 단일 단계 변환과 같은 다수의 산업 전환 공정에 중요한 차세대 촉매의 가속화 개발에서 n--Ag-ZrO 2/SiO213을초과하는 부테네, 연료전지 응용 분야에서 산소 환원 반응 및 수소 진화 반응을 위한 촉매14,15,촉매 CO2 수소화16,메탄올 탈수수소투포름알데히드 또는 탈수로의 금속 촉매 또는 다중 벽의 탄소 나노튜브를 저탄 반응에서 사용하는 디메틸 에테르에 대한 반응. 최근 촉매 연구1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21, 21,22에 대한 이러한 시투 기법에 적용하여 촉매 동적 형상 변경10,11,23,7,성장, 이동성8,20,24에대한 새로운 통찰력을 제공했다. 또한, CCGR-STEM은 가스 터빈 엔진에서 차세대 핵분열 및 융합 반응기까지 공격적인 환경에 노출된 구조 재료의 고온 산화 거동을 조사하는 데 사용될 수 있으며, 강도, 골절 인성, 용접성 또는 방사선뿐만 아니라 고온 산화 저항25,26,27,28, 29. 구조 합금에 특정, 현장에서 CCGR-STEM 실험은 조건9을 감소시키는 하에서 확산 유도 된 곡물 경계 이동의 동적 추적을 허용하고 고온5,6,30에서산화 운동학의 측정을 할 수 있습니다. CCGR 기술의 최근 개발 전에 수십 년 동안, 현장에서 가스 반응 연구는 전용 환경 TEM (E-TEM)를 사용하여 수행되었다. E-TEM 및 CCGR-STEM의 상세한 비교는 이전에10을해결했습니다. 따라서 E-TEM 기능은 현재 작업에서 더 이상 논의되지 않습니다.
이 작품에서는 컴퓨터 제어 매니폴드(gas delivery system)와 마이크로 전기 기계(MEMS) 기반 실리콘 마이크로칩 장치(예를 들어, 스페이서 칩 및 "E-칩" 히터(재료 표)를 활용하는 특수 설계된 CCGR TEM 홀더를 포함하는 시판 가능한시스템(재료표)이사용되었다. 각 전자 칩은 비정질, 전자 투명 SixNy 멤브레인을 지원합니다. 스페이서 칩은 50nm 두께의 SixNy 멤브레인을 가지고 있으며, 300 x 300 μm2 시야 면적과 5 μm 두께의 에폭시 기반 포토레지스트(SU-8) "스페이서" 접점을 미세 변형하여 가스 흐름 경로를 제공하고 두 쌍의 마이크로칩(그림1A)사이의물리적 오프셋을 유지한다. E-칩의 일부는 낮은 전도도 ~100 nm SiC 세라믹 멤브레인으로 덮여; 멤브레인은 ~30nm 두께의 무정형 SixN y 멤브레인(Six Ny 보기 영역)(도1A 및 도 2D)에의해 겹쳐진 8 μm 직경 에칭 구멍의 3 x 2 배열을 가지고 있으며, 이를 통해 이미지가 기록된다. E-칩은 시편 지지대와 히터6의이중 역할을 모두 한다. Au 접점은 SiC 멤브레인의 저항 가열을 허용하기 위해 E 칩에 미세 제작됩니다. 각 E-칩은 적외선(IR) 이미징방법(재료표)2를 사용하여 보정되며 ±5%31%이내에 정확하다는 것으로 나타났다. 온도 보정은 가스 조성 및 압력과 무관하므로 선택한 가스 조건하에서 반응 온도를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 박막 히터의 장점은 최대 1,000 °C의 온도가 밀리초 이내에 도달 할 수 있다는 것입니다. 반응을 수행하기 위해, E-칩은 스페이서 칩의 상단에 배치되어 TEM 컬럼의 높은 진공으로부터 시편 주변의 환경을 격리하는 폐쇄 셀 "샌드위치"를 생성합니다. 이 설정의 장점은 단일 또는 혼합 가스와 정적 또는 유량 조건하에서 저압에서 대기압 (760 Torr)까지 의 반응을 수행 할 수 있다는 것입니다. MEMS 장치는 수차 보정 S/TEM 계측기(도 1C)에서 객관적인 렌즈 극조각의mm 크기의 갭 내에 홀더를 삽입할 수 있는 클램프(도1B)로고정된다. 현대의 S/TEM 홀더에는 외부 스테인리스 스틸 튜브에 연결된 통합 마이크로 유체 튜브(모세혈관)가 포함되며, 이는 가스 전달 시스템(매니폴드)에 연결됩니다. 전자 제어 시스템은 가스 전지를 통해 반응가스의 제어된 전달 및 흐름을 허용합니다. 가스 흐름 및 온도는제조업체(재료 표)10,32에서제공하는 맞춤형 워크플로 기반 소프트웨어 패키지에 의해 작동됩니다. 이 소프트웨어는 실험 중에 세포에서 돌아오는 가스 흐름에 대한 3개의 가스 입력 라인, 2개의 내부 실험 가스 전달 탱크 및 수신 탱크를 제어합니다(그림1D).
재료의 가변성과 폼 팩터로 인해 먼저 E 칩의 여러 표본 증착 방법에 초점을 맞춘 다음 제어 된 온도, 가스 혼합 및 흐름을 가진 시투 / operando 실험에서 정량적 수행을위한 프로토콜을 설명합니다.

<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

현장에서 연구된 가스 반응은 원자 수준으로 축소되는 길이의 재료의 실시간 형태학적 및 미세화학적 변형을 포착하는 데 사용될 수 있다. 시상 폐쇄 세포 가스 반응 (CCGR) 연구에서 수행 (스캐닝) 전송 전자 현미경 (STEM) 분리 및 다른 특성화 기술을 사용하여 캡처하기가 매우 어려운 국소화 동적 반응을 식별 할 수 있습니다. 이러한 실험을 위해, 우리는 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)기반 가열 마이크로 칩 (이하 "E 칩"이라고 함)을 사용하는 CCGR 홀더를 사용했다. 여기서 설명된 실험 프로토콜은 수차 보정 된 STEM에서 건조하고 습식 가스에서 시투 가스 반응에서 수행되는 방법을 자세히 설명합니다. 이 방법은 대기압에서 구조 재료의 촉매 및 고온 산화와 수증기 유무에 관계없이 다양한 가스가 있는 것과 같은 다양한 재료 시스템에서 관련성을 발견합니다. 여기서, 몇몇 샘플 제제 방법은 다양한 물질 형태 인자를 위해 기술된다. 반응 하는 동안, 수증기가 있는 잔류 가스 분석기(RGA) 시스템으로 얻은 질량 스펙트럼은 반응 중 가스 노출 조건을 더욱 검증한다. 따라서 RGA를 내부 CCGR-STEM 시스템과 통합하면 반응 중에 가스 조성과 반응 중 재료의 동적 표면 진화와 상관 관계를 맺는 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 접근법을이용한현장에서/operando 연구에서는 특정 환경 조건(시간, 온도, 가스, 압력)에서 발생하는 근본적인 반응 메커니즘 및 운동학에 대한 상세한 조사를 실시간으로, 높은 공간 해상도로 확인할 수 있습니다.

MEMS 기반 폐쇄 세포 가스 반응에 대한 표본: 콜로이드 용액에서 및 마스크를 통해 드롭 주조에 의한 직접 분말 증착 연구할 물질에 따라, 시투/오페라 CCGR-STEM 실험에서 E-칩을 준비하는 여러 가지 방법이 있다. 촉매 연구를 위한 가스 세포를 제조하려면 일반적으로 콜로이드 액체 현탁액(도2A)에서또는 건조 분말 자체로부터 직접 E 칩에 촉?...

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

여기서, 우리는 일반적으로 사용되는 몇몇 견본 준비 방법을 상세히 설명하면서 시투 TEM 폐쇄 세포 가스 반응 실험에서 능력을 발휘하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

전송 전자 현미경에서 시투 폐쇄 세포 가스 반응에서 수행

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

최근까지 특정 테스트 전후의 자료를 분석했습니다. 그러나, 재료가 높은 온도에서 공격적인 환경에서 구조적 및 화학 적 변화를 겪는 방법에 대한 자세한 정보를 얻을 필요가있다. 시투 폐쇄 세포 가스 반응에서 CCGR, 스캐닝 투과 전기 현미경 검사법은 이를 위해 특별히 개발되었다.가스 환경의 높은 온도에서 실시간으로 동적 변화를 연구하기 위해 촉매, 구조 재료, 탄소 나노 튜브 등과 같은 광범위한 재료 시스템에서 최대 완전한 대기압까지. 더욱이, 반응은 다른 길이 비늘에서 공부할 수 있습니다, 원자 규모까지 미크론에서 어디서나. 이것은 매우 중요 한, 낮은 배율에서 우리는 전반적인 시스템 행동에 대 한 많은 것을 배울 수 있기 때문에 운동 정보를 추출.원자 규모 수준에서는 표면에서 발생하는 반응 메커니즘과 운동학뿐만 아니라 사이트별 인터페이스에 대해 배울 수 있습니다. 이것은 대기압에서 원자 해상도 이미지를 얻기 위해 정말 놀라운, 그리고 그것은 정말 어떤 실험 기술에 의해 수행 할 수 없습니다. 이 프로토콜은 시투 전기 현미경 검사에서 사용하는 시투 폐쇄 세포 가스 반응에서 수행하는 방법을 강조합니다.또한 샘플 준비와 다양한 재료에 대한 과제도 강조합니다. 콜로이드 용액에서 드롭 주조에 의한 직접 분말 증착. 분말 입자가 너무 크면 분말을 분쇄하십시오.소량의 분말과 2밀리리터 용매를 섞습니다. 양은 실험에 의해 결정됩니다. 5분간 용액을 초음파 처리하여 콜로이드 서스펜션을 만듭니다.E-칩 고정 설비에 E 칩을 놓습니다. 마이크로 파이펫을 사용하여 서스펜션을 E 칩에 직접 놓습니다. 스테레오 현미경을 던지면서 흡수성 종이 점으로 골드 접점을 청소하십시오.마스크를 통해 직접 분말 증착. E-칩 고정 설비에 새로운 클린 E 칩을 배치합니다. 사용 및 마스크및 설비 내E 칩에 직접 배치합니다.상단 플레이트를 사용하여 새로운 깨끗한 E 칩과 마스크를 고정합니다. 마스크를 통해 새로운 청정 E-칩의 실리콘 진피 막에 직접 주걱을 사용하여 소량의 분말을 증착한다. 설비를 부드럽게 진동하여 입자를 E 칩으로 흔들어 줍니다.이것은 초음파 장치와 건조 비커에 고정을 배치하여 수행 할 수 있습니다. 과도한 분말을 흔들어 시스템을 분리하고 E 칩에 분말의 배치를 검사합니다. 전자 빔 증발, 이온 또는 자판기 스퍼터링에 의한 증착 방법.실리콘 질화물 멤브레인과 실리콘 질화물 마이크로 다공성 TEM 창이있는 스페이서 칩을 사용하여 패턴 마스크를 만듭니다. 시아노아크릴레이트 접착제를 사용하여 실리콘 질화물 마이크로 다공성 TEM 창에 부착하여 제조업체의 권고에 따라 50~250마이크론 개구부를 통해 아래로 향하게 됩니다. 그런 다음 절차를 반복하여 E-칩에 필요한 만큼의 패턴 마스크를 준비합니다.E-칩 설비에 새로운 클린 E 칩을 배치합니다. 패턴 마스크를 E 칩에 놓습니다. 상단 플레이트를 덮고 고정합니다.전자 빔 증발, 이온 스퍼터링 또는 자작스퍼터링 증착 기술을 사용합니다. 시스템을 분리하고 예치된 재료로 E 칩을 검사합니다. 집중 이온 빔 또는 FIB 밀링.FIB를 사용하여 TEM 라멜라를 준비합니다. TEM 라멜라를 E 칩에 놓습니다. 샘플을 E 칩에 부착하여 실리콘 진피 멤브레인을 손상시키지 않도록 하십시오.CCGR-TEM 홀더의 준비. 원하는 교정 파일을 다운로드합니다. E 칩의 저항을 확인합니다.실리콘 초경 히터의 저항을 측정하여 CCGR 제조업체가 제공하는 특정 E-칩 교정에 대한 저항 범위 내에 있는지 확인합니다. 홀더 상단에서 클램프를 제거합니다. 흡수성 용지 포인트 또는 압축 공기를 사용하여 CCGR-TEM 홀더의 끝을 청소하여 O 링 숲에 잔해가 남아 있지 않도록 합니다.스페이서 칩을 CCGR-TEM 홀더에 넣습니다. 전자 칩을 배치, 히터 접점 홀더에 플렉스 케이블과 전기 접촉에 적절한 연결을 만들기. 그런 다음 세트 나사를 토크합니다.CCGR-TEM 홀더를 조립한 후 실리콘 초경 히터의 저항을 다시 측정하여 CCGR 제조업체가 제공하는 특정 E-칩 교정에 대한 저항 범위 내에 있는지 확인합니다. 실험 설정준비. 홀더가 연결되어 있거나 연결되지 않고 밤새 시스템을 굽고 펌핑합니다.홀더를 로드하고 튜브를 연결합니다. 실험을 위해 불활성 가스로 시스템을 펌프및 제거합니다. 예를 들어, 100 토르에서 0.5 Torr로 두 번.최종 펌프를 제거하고 100 토르에서 0.001 토르로 제거합니다. 잔류 가스 분석기. 펌프 및 퍼지 시술 중에 RGA 시스템을 켜서 필라멘트를 따뜻하게 합니다.RGA를 줄기에 폐쇄된 세포 가스 반응기 시스템과 통합하면 반응 시 재료의 동적 표면 진화와 가스 조성을 상호 연관시키는 중요한 측정을 제공합니다. 지속적인 가스 모니터링은 촉매 및 구조 재료에 대한 반응을 혼합 가스로 수행하거나 가스와 압력을 번갈아 가며, 특히 수증기가 가스 혼합물에 통합될 때 필수적입니다. 퍼지 가스를 VDS에 부착하고 레버 노브를 배기재에 돌린 다음 공원 위치로 돌립니다.불활성 가스를 세 번 흘림으로써 VDS를 압력하거나 더 이상 액체가 존재하지 않습니다. 손잡이를 돌려 주차 위치를 설정하고 VDS를 매니폴드에 연결합니다. 손잡이를 돌려 위치를 채운 다음 퍼지 가스 라인을 제거합니다.가스 제어 소프트웨어에서 증기 압력을 18.7 Torr로 설정합니다. VDS를 진공 청소기로 펌핑하여 0.1 Torr입니다. 주사기와 튜브를 통해 2밀리미터의 물로 VDS를 채우습니다.순도가 높은 증기가 필요한 경우 추가 제거 단계가 필요합니다. 반응을 실행합니다. 모든 가스가 매니폴드에 연결되어 있는지 확인합니다.명명 아래 대기 소프트웨어를 사용하여 반응에 대한 올바른 가스를 설정하고 행 파일을 저장합니다. E-칩 설정에서 E 칩에 대한 올바른 교정 파일을 선택하고 교정을 실행합니다. 펌프 및 제거에서 실험 용 설정의 준비를 참조하십시오.가스 제어하에서 가스 구성을 선택합니다. 온도 하에서 가열 속도와 목표 온도를 선택합니다. 실험을 시작합니다.가스를 흐르기 시작합니다. 이미징을 시작합니다. 기록 가스 구성.대표적인 결과. 시투 CCGR-STEM 결과의 예. 밝은 필드 STEM 이미지는 수증기에 노출될 때 티타늄 지지대에서 백금 나노 입자의 표면 진화의 예를 보여줍니다.백금 입자의 구조적 변화는 가스 조성을 모니터링하는 동안 사소한 모양 변화와 관련된 구조의 재배열을 보여줍니다. 실험을 종료합니다. 온도를 끕니다.가스의 흐름을 중지합니다. 종료 세션입니다. 요약. CCGR-STEM은 예를 들어, 높은 내구성을 가진 차세대 촉매의 빠른 개발에 도움이 되며, 이는 에탄올을 N부탄으로 촉매 고속 열분해 한 단계 변환하는 등 다수 촉매 변환 공정에 중요하며 제트 연료 또는 CO2 수력 발전 등에 도움이 됩니다.또한 CCGR-STEM은 공격적인 환경에서 구조 재료의 고온 산화 거동을 조사하고, 예를 들어 가스 터빈 엔진 환경이나 차세대 핵분열 또는 융합 반응기와 유사한 재료의 행동을 모방하는 데 사용될 수 있습니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

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연구

공학

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투과 전자 현미경에서 제자리 시간에 따른 절연 파괴에 : 가능성은 마이크로 전자 장치의 고장 메커니즘을 이해하기

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