ここでは、いくつかの一般的に使用されるサンプル調製方法を詳述しながら 、Situ TEM閉細胞ガス反応実験を行うためのプロトコルを提示する。
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この記事について
サマリー
要約
その現場で研究したガス反応を用いて、物質のリアルタイムの形態学的および微小化学的変換を原子レベルまでスケールダウンさせることができます。(走査)透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて行われたSituクローズドセルガス反応(CCGR)研究では、局所的な動的反応を分離して同定することができ、他の特性解析技術を用いて捕獲することは非常に困難である。これらの実験では、マイクロ電気機械システム(MEMS)ベースの加熱マイクロチップ(以下「Eチップ」と呼ぶ)を利用したCCGRホルダーを用いた。ここで説明する実験プロトコルは、収差補正されたSTEMで乾燥ガスおよび湿式ガス中でのその場所でのガス反応を行うための方法を詳述する。この方法は、大気圧での構造材料の触媒や高温酸化、水蒸気の有無にかかわらず様々なガスの存在下で、多くの異なる材料系に関連性を見いだします。ここでは、種々の材料形態因子についていくつかのサンプル調製方法について説明する。反応中、水蒸気の有無にかかわらず残留ガス分析装置(RGA)システムで得られた質量スペクトルは、反応中のガス暴露条件をさらに検証する。したがって、RGAをin situ CCGR-STEMシステムと統合することで、反応中の材料の動的表面進化とガス組成を相関させる重要な洞察を提供できます。この手法を用いた現場/オペランド研究では、特定の環境条件(時間、温度、気体、圧力)、リアルタイム、高空間分解能で起こる基本的な反応機構および運動の詳細な調査が可能です。
概要
反応性ガス暴露および高温下での材料の構造や化学的変化の経緯に関する詳細な情報を得る必要がある。この場での密閉細胞ガス反応(CCGR)走査型透過電子顕微鏡(STEM)は、高温、異なる気体環境、真空から全大気圧1、2、3、4、圧力にかかる広範囲の材料系(例えば、触媒、構造材料、カーボンナノチューブなど)で起こる動的変化を研究するために特別に開発された。このアプローチは、いくつかのケースで有益であり得る。 エタノールからn-ブテンへのシングルステップ変換など、多くの産業転換プロセスにとって重要な次世代触媒の加速開発 ....
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プロトコル
1. Eチップの準備
- コロイド溶液からのドロップキャストによる直接粉末堆積(図2A)。
- 粉末粒子凝集体が大きすぎる場合は、粉末を粉砕します。小さなモルタルと害虫を使用してこれを行います(破砕された凝集体のサイズは<5μmでなければなりません)。溶媒の2mL(例えば、イソプロパノールまたはエタノール)中の粉末の少量(例えば、〜0.005mg、経験によって決定される量)を混合する。
- 約5分間の混合物を超音波処理し、コロイド懸濁液を作成します。
- EチップをEチップ保持フィクスチャに置きます。0.5~2.5 μLマイクロピペットを使用して、サスペンションの約1 μLをEチップに直接投下します。
- Au接点をクリーニングし、ステレオ顕微鏡で見ながら吸収性の紙ポイントで懸濁液を取り除きます。
- マスクを通して直接粉体の堆積(図2B)。
- 粉末粒子が大きすぎる場合(1.1.1のように)粉末(例えば、Pt/TiO2)を粉砕します。
- Eチップ保持フィクスチャに新しいクリーンなEチップを配置します(図3D)。SixNy 膜を取り除いた....
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結果
MEMSベースの閉細胞ガス反応の標本:
コロイド溶液からのドロップ鋳造とマスクによる直接粉末堆積
研究する材料に応じて、situ/operando CCGR-STEM実験でEチップを準備するさまざまな方法があります。触媒分析研究のためにガスセルを調製するには、典型的には、コロイド状液体懸濁液(図2A)から、または乾燥粉末自体から直接触媒ナノ粒子をEチップに分散させる必要がある(図2B)。粗い粉末の場合、粒子を粉砕する必要があるかもしれません(例えば、モルタルと害虫を使用するか、ガラススライドの間に粉末を配置することによって)、粉末凝集体はSixNy膜を損傷することなく、ペアマイクロチップ(「サンドイッチ」)サイズの間の5μmのギャップ内に収まります。液体懸濁液を使用する場合、粉末の堆積物は、多くの場合、金接点から粉末を除去するために二次洗浄(「粉塵」)ステップを必要とするEチップ.......
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ディスカッション
本研究では、水蒸気の有無にかかわらず 、その場で STEM反応を行うアプローチが実証されている。プロトコル内の重要なステップは、Eチップの準備と、ロード手順中の整合性の維持です。この技術の限界は、(a)(a)組み合わせ(MEMS)ベースのシリコンマイクロチップデバイス間の公称5μmのギャップに適合する試料サイズとその幾何学であり、また(b)水蒸気の実験で使用される総圧力は水蒸気6の量に依存する。既存の手法に関して、この方法の意義は 、我々は、我々は、実際 の条件下で試料を分析し、実験条件を確認/監視するRGAシステムによって可能にする、我々は、オペランド実験を行うことができるということです。さらに、Eチップヒーター上のサンプル堆積に異なる方法や手順を必要とする多様な材料システムへの技術の将来の応用の機会があります。
Eチップ調製物は、4つの異なるサンプル調製方法を示す図2に示されています。(1)コロイド溶液からのドロップキャストによる直接粉.......
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開示事項
著者らは利益相反を宣言しない。
この原稿は、契約No.の下でUT-バッテル、LLCによって作成されています。米国エネルギー省とのDE-AC05-00OR22725。米国政府は、出版のための記事を受け入れることによって、出版社は、米国政府が米国政府の目的のために、この原稿の出版されたフォームを公開または複製したり、他の人に許可したりする非独占的、有料、取り消し不可能な、世界的なライセンスを保持していることを認めます。エネルギー省は、DOE公共アクセス計画(http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan に従って連邦政府主催の研究のこれらの結果への一般アクセスを提供します。
謝辞
この研究は、主に米国エネルギー省(DOE)のUT-Battelle LLCが管理するオークリッジ国立研究所(ORNL)の研究所主導の研究開発プログラムによって後援されました。インザ・イン・ガス・セルに水蒸気を導入する開発の一環として、米国DOE、エネルギー効率・再生可能エネルギー局、バイオエネルギー技術局、UT-Battle、LLCとの契約DE-AC05-00OR22725(ORNL)、および生物エネルギー化学触媒(ChemCatBio)コンソーシアム(ChemCatBio)コンソーシアムが後援しました。この作品の一部は、米国のDOE契約No.1に基づく持続可能なエネルギーのための同盟、LLCが運営する国立再生可能エネルギー研究所によって作成されました。DE-AC36-08GO28308.顕微鏡の一部は、DOE科学ユーザーファシリティ局であるナノフェーズ材料科学センター(CNMS)で行われました。S.S.DOEの推進材料プログラム、車両技術室が、in situ STEM機能の初期の開発を後援しました。 私たちは、ジョン・ダミアーノ博士、プロトチップス社に有益な技術的な議論をありがとうございました。著者らは、映画制作のサポートのためにローズマリー・ウォーカーとKAse Clapp、ORNL制作チームに感謝します。この記事で述べられていますが、DOE や米国政府の見解を表しているわけではありません。米国政府は、発行のための記事を受け入れることによって、出版社は、米国政府がこの作品の公開された形態を公....
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 雰囲気の明瞭さソフトウェア | Protochips | 6.5.14 | |
| 雰囲気 大暖房 E-チップ、300 x 300 ウィンドウ、スペーサーなし | Protochips | EAT-33AA-10 | マイクロチップ デバイス |
| 雰囲気 小さな E-チップ、300 x 300 ミクロン ウィンドウ、5 ミクロン SU-8 スペーサー | Protochips | EAB-33W-10 | マイクロチップ |
| デバイス JEOL 2200FS | JEOL | 顕微鏡 | |
| Mボンド610 | 電子顕微鏡科学 | 50410-30 | シアノアクリレート(CA)接着剤 |
| Mikron M9103 IRカメラ | ミクロン | これは、Protochips/利用不可のProtochipsによって使用されます。 | |
| フュージョン」E-chips | SixNy膜を除去した | Protochips | |
| Atmosphere 200 | Protochips | プロトタイプ | ソフトウェア |
| 残留ガス分析器 R100 (RGA) | スタンフォードリサーチシステム | R100 SRS |
参考文献
- Allard, L. F., et al. A new MEMS-based system for ultra-high-resolution imaging at elevated temperatures. Microscopy Research and Technique. 72 (3), 208-215 (2009).
- Allard, L. F., et al.
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