Tutaj prezentujemy protokół przeprowadzania eksperymentów z reakcjami na gaz zamkniętymi in situ TEM, jednocześnie szczegółowo opisując kilka powszechnie stosowanych metod przygotowania próbek.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Reakcje gazowe badane za pomocą mikroskopii elektronowej in situ mogą być używane do uchwycenia morfologicznych i mikrochemicznych przemian materiałów w czasie rzeczywistym w skalach długości aż do poziomu atomowego. Badania in situ reakcji gazowej w komórkach zamkniętych (CCGR) przeprowadzone przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM) mogą oddzielić i zidentyfikować zlokalizowane reakcje dynamiczne, które są niezwykle trudne do uchwycenia przy użyciu innych technik charakteryzacji. Do tych eksperymentów użyliśmy uchwytu CCGR, który wykorzystuje mikroczipy grzewcze oparte na systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) (zwane dalej "E-chipami"). Opisany tutaj protokół eksperymentalny szczegółowo opisuje metodę przeprowadzania reakcji gazowych in situ w gazach suchych i mokrych w STEM z korekcją aberracji. Metoda ta znajduje zastosowanie w wielu różnych systemach materiałowych, takich jak kataliza i utlenianie materiałów konstrukcyjnych w wysokiej temperaturze pod ciśnieniem atmosferycznym i w obecności różnych gazów z parą wodną lub bez. W tym miejscu opisano kilka metod przygotowania próbek dla różnych formatów materiałów. Podczas reakcji widma masowe uzyskane za pomocą systemu analizatora gazów szczątkowych (RGA) z parą wodną i bez niej dodatkowo weryfikują warunki ekspozycji na gaz podczas reakcji. Integracja RGA z systemem CCGR-STEM in situ może zatem dostarczyć krytycznych informacji na temat korelacji składu gazu z dynamiczną ewolucją powierzchni materiałów podczas reakcji. Badania in situ/operando wykorzystujące to podejście pozwalają na szczegółowe badanie podstawowych mechanizmów i kinetyki reakcji zachodzących w określonych warunkach środowiskowych (czas, temperatura, gaz, ciśnienie), w czasie rzeczywistym i w wysokiej rozdzielczości przestrzennej.
Wprowadzenie
Istnieje potrzeba uzyskania szczegółowych informacji na temat tego, jak materiał ulega zmianom strukturalnym i chemicznym pod wpływem reakcji na gaz i w podwyższonych temperaturach. Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa (STEM) in situ z reakcją gazową zamkniętokomórkową (CCGR) została opracowana specjalnie do badania dynamicznych zmian zachodzących w szerokim zakresie systemów materiałowych (np. katalizatorów, materiałów strukturalnych, nanorurek węglowych itp.) pod wpływem podwyższonych temperatur, różnych środowisk gazowych i ciśnień od próżni do pełnego ciśnienia atmosferycznego1,2,....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie e-chipa
- Bezpośrednie osadzanie proszku metodą odlewania kroplowego z roztworu koloidalnego (Rysunek 2A).
- Zmiażdż proszek, jeśli agregaty cząstek proszku są zbyt duże. Zrób to za pomocą małego moździerza i tłuczka (rozdrobnione kruszywa powinny mieć wielkość <5 μm). Wymieszać niewielką ilość (np. ~0,005 mg, ilość określona na podstawie doświadczenia) proszku w 2 ml rozpuszczalnika (np. izopropanolu lub etanolu).
- Sonikować mieszaninę przez około 5 minut, aby uzyskać zawiesinę koloidalną.
- Umieść E-chip na uchwycie mocującym E-chip. Upuść około 1 μl zawiesiny za pomocą mikropipet....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Próbki do reakcji gazowych w zamkniętych ogniwach opartych na MEMS:
Bezpośrednia depozycja proszku metodą drop casting z roztworu koloidalnego oraz za pomocą maski
W zależności od badanego materiału istnieje szereg różnych sposobów przygotowania e-chipów do eksperymentów in situ/operando CCGR-STEM. Przygotowanie ogniwa gazowego do badań nad katalizą zazwyczaj wymaga dyspersji nanocząstek katalizatora na e-chipie, albo z koloidalnej zawiesiny ciekłej (
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W niniejszej pracy przedstawiono podejście do przeprowadzania reakcji STEM in situ z parą wodną i bez niej. Krytycznym krokiem w protokole jest przygotowanie e-chipa i utrzymanie jego integralności podczas procedury ładowania. Ograniczeniem tej techniki jest (a) rozmiar próbki i jej geometria tak, aby pasowała do nominalnej szczeliny 5 μm między sparowanymi (MEMS) krzemowymi urządzeniami mikroprocesorowymi, a także (b) całkowite ciśnienie stosowane w eksperymentach z parą wodną, ponieważ najwyższe ciśnienie całk.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Niniejszy manuskrypt został napisany przez UT-Battelle, LLC na podstawie umowy nr 1. DE-AC05-00OR22725 z Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych. Rząd Stanów Zjednoczonych zachowuje, a wydawca, przyjmując artykuł do publikacji, przyjmuje do wiadomości, że Rząd Stanów Zjednoczonych zachowuje niewyłączną, opłaconą, nieodwołalną, ogólnoświatową licencję na publikację lub powielanie opublikowanej formy tego manuskryptu lub zezwalanie na to innym osobom do celów Rządu Stanów Zjednoczonych. Departament Energii zapewni publiczny dostęp do tych wyników badań sponsorowanych przez rząd federalny zgodnie z Planem Dostępu Publicznego DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).
Podziękowania
To badanie było przede wszystkim sponsorowane przez Program Badań i Rozwoju Kierowany przez Laboratorium Oak Ridge National Laboratory (ORNL), zarządzany przez UT-Battelle LLC, dla Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). Część prac mających na celu wprowadzenie pary wodnej do ogniwa gazowego in situ była sponsorowana przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, Biuro Technologii Bioenergetycznych, w ramach umowy DE-AC05-00OR22725 (ORNL) z UT-Battle, LLC oraz we współpracy z Konsorcjum Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio), członkiem Energy Materials Network (EMN). Praca ta została czę....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Oprogramowanie do przejrzystości atmosfery | Protochips | 6.5.14 | |
| Atmosfera Duże Ogrzewanie E-chipy, okno 300 x 300, bez przekładki | Protochips | Urządzenie mikroprocesorowe | EAT-33AA-10 |
| Atmosfera Małe E-chipy, okno 300 x 300 mikronów, dystans 5 mikronów SU-8 | Protochips | Mikroprocesor EAB-33W-10 | |
| Mikroskop | |||
| M-bond 610 | Mikroskopia elektronowa Sciences | 50410-30 | klej cyjanoakrylowy (CA) |
| Mikron M9103 kamera na podczerwień | Micron | Jest to używane przez Protochips / niedostępne | |
| Protochips " Fuzja" E-chips | Protochips | chip dystansowy z usuniętą membraną SixNy | |
| Protochips Atmosfera 200 | Prototyp | oprogramowania | Protochips |
| Analizator gazów resztkowych R100 (RGA) | Stanford Research Systems | R100 SRS |
Bibliografia
- 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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Przeglądaj więcej artykułów
