Name: Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00.000+00:00
Duration: 14 min 21 s
Description: Poznaj metodę CCGR-STEM do obserwacji w czasie rzeczywistym zmian strukturalnych materiałów w środowisku gazowym pod zwiększonym ciśnieniem. Technika ta umożliwia analizę katalizatorów i nanorurek węglowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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 częściowo napisana przez Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej, prowadzone przez Alliance for Sustainable Energy, LLC, dla Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie umowy nr 1. DE-AC36-08GO28308. Część mikroskopii została przeprowadzona w Centrum Nauk o Materiałach Nanofazowych (CNMS), które jest obiektem użytkownika Biura Nauki DOE. Wczesny rozwój zdolności STEM in situ był sponsorowany przez Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, U.S. DOE. Dziękujemy dr Johnowi Damiano, Protochips Inc., za przydatne dyskusje techniczne. Autorzy dziękują Rosemary Walker i Kase Clapp, zespołowi produkcyjnemu ORNL, za wsparcie przy produkcji filmu. Poglądy wyrażone w tym artykule niekoniecznie reprezentują poglądy Departamentu Energii lub rządu 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 dzieła lub zezwalanie na to innym osobom do celów rządu Stanów Zjednoczonych.

1. Przygotowanie e-chipa
<ol>
	<li>Bezpośrednie osadzanie proszku metodą odlewania kroplowego z roztworu koloidalnego (<klasa silna = "xfig">Rysunek 2A).
	<ol>
		<li>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).</li>
		<li>Sonikować mieszaninę przez około 5 minut, aby uzyskać zawiesinę koloidalną.</li>
		<li>Umieść E-chip na uchwycie mocującym E-chip. Upuść około 1 μl zawiesiny za pomocą mikropipety o pojemności 0,5-2,5 μl bezpośrednio na E-chip.</li>
		<li>Oczyść styki Au, aby usunąć zawiesinę, za pomocą chłonnego papierowego punktu podczas oglądania przez mikroskop stereoskopowy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Bezpośrednie osadzanie proszku przez maskę (<silna klasa="xfig">Rysunek 2B).
	<ol>
		<li>Rozdrobnić proszek (np. Pt/TiO2) do sucha, jeśli cząstki proszku są zbyt duże (jak w ppkt 1.1.1).</li>
		<li>Umieść nowy czysty chip E na uchwycie mocującym chip E (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 3D). Użyj maski, która jest kolejnym E-chipem z usuniętą membraną SixNy (poprzez złamanie jej pęsetą lub sprężonym gazem) i umieść ją bezpośrednio na E-chipie w oprawie.</li>
		<li>Użyj górnej płyty, aby clamp nowy czysty chip E i maskę razem w urządzeniu.</li>
		<li>Niewielką ilość proszku nanieść za pomocą szpatułki bezpośrednio na membranę z nitrylu silikonowego w masce.</li>
		<li>Delikatnie wibruj urządzeniem, aby potrząsnąć cząstkami do E-chipa. Można to zrobić za pomocą pęsety próżniowej, przytrzymując urządzenie na górze urządzenia podczas jego pracy lub używając urządzenia do sonikacji i umieszczając urządzenie w suchej zlewce.</li>
		<li>Strząśnij nadmiar proszku, zdemontuj system i sprawdź położenie suchego proszku na chipie E za pomocą mikroskopu stereoskopowego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Metoda osadzania przez odparowanie wiązką elektronów, rozpylanie jonowe lub magnetronowe. 
	UWAGA: Ta metoda służy do tworzenia systemu jednoelementowego lub modelowych próbek stopów o znanej geometrii i składzie.
	<ol>
		<li>Utwórz maskę wzoru (<silna klasa="xfig">Rysunek 3). 
		UWAGA: Przygotuj maskę wzoru z wyprzedzeniem, ponieważ zajmuje to trochę czasu.</li>
		<li>Użyj chipa dystansowego z usuniętą membraną SixNy. W tym eksperymencie zastosowano E-chip powszechnie stosowany w eksperymentach z płynnymi komórkami po delikatnym rozdrobnieniu membrany SixNy, co spowodowało otwarcie o wymiarach 50 x 250 μm. Ten chip dystansowy z usuniętą membraną SixNy zostanie połączony z innym chipem, posiadającym szereg otworów (np. mikroporowate okno TEM z azotku krzemu (SiN) 33).</li>
		<li>Użyj kleju cyjanoakrylowego (CA) (tabela materiałów), aby przymocować mikroporowate okienko TEM SiN stroną zadrukowaną do dołu (folia z wzorem SiN z dala od chipa dystansowego) nad otworem o wymiarach 50 x 250 μm zgodnie z zaleceniami producenta (<klasa silna = "xfig" >Rysunek 3B, C).</li>
		<li>Powtórz procedurę, aby przygotować tyle masek wzorów, ile potrzeba, w zależności od planowanych eksperymentów.</li>
		<li>Umieść nowy czysty chip E na oprawie E-chip (<silna klasa="xfig">Rysunek 3D).</li>
		<li>Umieść maskę wzoru na chipie E (<silna klasa="xfig">Rysunek 3C,D).</li>
		<li>Przykryj górną płytą i zaciśnij ją (<silna klasa="xfig">Rysunek 3D).</li>
		<li>Stosować techniki odparowywania wiązką elektronów, rozpylania jonów lub napylania magnetronowego. Są to zalecane metody używane do napylania interesującego materiału bezpośrednio przez maskę wzoru. 
		UWAGA: Może być ważne oczyszczenie systemu osadzania w celu usunięcia pozostałości tlenu przed osadzaniem w przypadku osadów materiałów o wyższej czystości33.</li>
		<li>Zdemontuj system i sprawdź E-chip za pomocą mikroskopu stereoskopowego, aby upewnić się, że osadzony materiał jest dobrze przylegający do membrany SixNy chipa E.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Frezowanie skupionej wiązki jonów (FIB) (<silna klasa="xfig">Rysunek 2C).
	<ol>
		<li>Przygotuj standardową lamelę TEM za pomocą FIB. Do końcowego etapu frezowania należy użyć niskiego napięcia (np. 2-5 kV), aby usunąć uszkodzenia spowodowane frezowaniem FIB przy wysokich napięciach (30-40 kV).</li>
		<li>Umieść lamelę TEM na chipie E, korzystając ze standardowych procedur FIB. Nie uszkadzaj membrany SixNy podczas mocowania lameli TEM przygotowanej przez FIB do E-chipa. Zobacz Allard et al.34 i inne publikacje30,35,36, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat różnorodności metod wykorzystujących instrumenty Xe-PFIB i Ga-FIB do przygotowania lameli.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie atmosfery (CCGR-TEM) Posiadacz
<ol>
	<li>Pobierz żądany plik kalibracyjny.</li>
	<li>Zmierz rezystancję grzałki SiC, aby upewnić się, że mieści się ona w zakresie rezystancji dla tej konkretnej kalibracji układu E, zgodnie z instrukcją producenta CCGR.</li>
	<li>Zdejmij clamp z uchwytu CCGR-TEM.</li>
	<li>Wyczyść końcówkę uchwytu CCGR-TEM za pomocą chłonnych papierowych punktów i/lub sprężonego powietrza, upewniając się, że na rowkach O-ringu nie pozostały żadne zanieczyszczenia. Następnie umieść specjalną uszczelkę z podwójną uszczelką w końcówce.</li>
	<li>Umieść chip dystansowy w uchwycie CCGR-TEM.</li>
	<li>Umieść E-chip zawierający próbkę, która została przygotowana jedną z metod wymienionych w sekcji 1, stykami grzałki w dół na chipie dystansowym, wykonując prawidłowe połączenie ze stykami elektrycznymi elastycznego w uchwycie.</li>
	<li>Umieść uchwyt clamp płytka na górze E-chipa za pomocą pęsety, umieść w wyznaczonym miejscu na końcówce uchwytu CCGR-TEM, a następnie dokręć dociskowe z końcowym momentem obrotowym do 0.2 lb-ft.</li>
	<li>Zmierz ponownie rezystancję grzałki SiC po zamontowaniu uchwytu CCGR-TEM, aby upewnić się, że mieści się ona w zakresie rezystancji dla tej konkretnej kalibracji układu E, jak podaje producent CCGR. 
	UWAGA: W tym przypadku stosuje się specjalny adapter, który podłącza się bezpośrednio do połączeń elektrycznych uchwytu. Pozwala to na wykonywanie pomiarów rezystancji przez uchwyt CCGR-TEM i sparowany zespół urządzeń mikroprocesorowych, gdy są w pełni zmontowane w uchwycie.</li>
</ol>
3. Przygotowanie zestawu eksperymentalnego
<ol>
	<li>Piecz i odpompowuj system (kolektor, uchwyt, zbiorniki gazu i komorę RGA) przez noc, z podłączonym uchwytem lub bez, naciskając przycisk Bake w oprogramowaniu do kontroli gazu.</li>
	<li>Załaduj uchwyt do skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego i podłącz rurkę gazową z kolektora do uchwytu CCGR-TEM.</li>
	<li>Na potrzeby eksperymentu przepompuj i przepłucz system gazem obojętnym (np. Ar lub N2) dwukrotnie od 100 Torr do 0,5 Torr.</li>
	<li>Wykonaj pompę końcową i przedmuchnij od 100 Torr do 0,001 Torr. Zapewni to, że cały system dostarczania gazu, od kolektora gazowego do zbiornika, zostanie oczyszczony i przepłukany gazem obojętnym.</li>
	<li>Analizator gazów resztkowych - Podczas procedury pompowania i przedmuchiwania włącz system RGA, aby rozgrzać żarnik.</li>
</ol>
4. Przygotowanie systemu dostarczania pary wodnej (VDS)
UWAGA: Te instrukcje dotyczą konkretnych eksperymentów, które obejmują kontrolowane dostarczanie gazu w postaci pary (np. pary wodnej). Sterowanie dopływem gazu odbywa się za pomocą oprogramowania do kontroli gazu dostarczonego przez producenta (tabela materiałów).
<ol>
	<li>Podłącz gaz płuczący (np. N2) do VDS, przekręć pokrętło dźwigni na wydech, a następnie obróć do pozycji parkowania.</li>
	<li>Przedmuchnąć VDS (powtórzyć ppkt 4.1) poprzez trzykrotny przepływ gazu obojętnego lub do momentu, gdy nie będzie już więcej cieczy.</li>
	<li>Przekręć pokrętło dźwigni do pozycji parkowania i przymocuj VDS do kolektora.</li>
	<li>Przekręć pokrętło dźwigni do pozycji napełniania i odłącz przewód gazu przedmuchującego.</li>
	<li>Ustaw ciśnienie par na 18,7 Torr w oprogramowaniu do kontroli gazu.</li>
	<li>W oprogramowaniu przepompuj VDS do próżni (0,1 Torr), wybierając linię wejściową i naciskając przycisk pompy.</li>
	<li>Napełnij VDS wodą (2 ml) za pomocą strzykawki i rurki. 
	UWAGA: Jeśli potrzebna jest para o wyższej czystości, mogą być wymagane dodatkowe etapy oczyszczania.</li>
</ol>
5. Uruchamianie reakcji
<ol>
	<li>Upewnij się, że wszystkie gazy, które mają być użyte w eksperymentach (np.N2, para wodna iO2) są podłączone do kolektora.</li>
	<li>Za pomocą oprogramowania do kontroli gazu w sekcji Nazewnictwo ustaw nazwę (nazwy) dla gazu (gazów) wymaganego do reakcji i zapisz surowy plik ".csv" tak, aby został wygenerowany uruchomiony plik dziennika dla eksperymentu.</li>
	<li>W obszarze E-chip Setup (Ustawienia układu elektronicznego) wybierz powiązany plik kalibracyjny (tj. zgodnie z opisem w 2.5) dla używanego układu E-chip i uruchom kalibrację. Jak wspomniano wcześniej w sekcji Wprowadzenie, każdy E-chip jest kalibrowany temperaturowo przy użyciu obrazowania promieniowania podczerwonego (IR) przez producenta.</li>
	<li>W obszarze Pompowanie i czyszczenie zobacz Przygotowanie konfiguracji eksperymentalnej.</li>
	<li>W obszarze Gas Control (Kontrola gazu) wybierz żądaną nazwę gazu i jego skład (np. wybierz wartość procentową dla każdego gazu) dla eksperymentu.</li>
	<li>W obszarze Temperatura wybierz żądaną szybkość ogrzewania i temperaturę docelową dla temperatury interesującej eksperyment i naciśnij przycisk Start.</li>
	<li>Rozpocznij przepływ gazu, naciskając przycisk Start w sekcji Kontrola gazu.</li>
</ol>
6. Koniec eksperymentu
<ol>
	<li>Po zakończeniu reakcji należy zatrzymać przepływ gazu, wyłączyć pokrętło temperatury i zakończyć sesję za pomocą procedury Pump and Purge (np. w zależności od przeprowadzonej reakcji należy wykonać procedurę Pump and Purge od 100 Torr do 0,1 Torr 2-3 razy).</li>
	<li>Przed wyjęciem uchwytu CCGR-TEM in situ z mikroskopu elektronowego należy upewnić się, że ciśnienie w uchwycie zostało przywrócone do ciśnienia atmosferycznego.</li>
</ol>

<ol><li>Allard, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+MEMS-based+system+for+ultra-high-resolution+imaging+at+elevated+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+Research+and+Technique%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Novel+MEMS-based+gas-cell%2Fheating+specimen+holder+provides+advanced+imaging+capabilities+for+in+situ+reaction+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Innovative+closed-cell+reactor+permits+in+situ+heating+and+gas+reactions+with+atomic+resolution+at+atmospheric+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Controlled+in+situ+gas+reaction+studies+of+catalysts+at+high+temperature+and+pressure+with+atomic+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((computer-controlled+in+situ+gas+reactions+via+a+mems-based+closed-cell+system%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((NiAl+oxidation+reaction+processes+studied+in+situ+using+MEMS-based+closed-cell+gas+reaction+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Oxidation+of+Metals%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Revealing+surface+elemental+composition+and+dynamic+processes+involved+in+facet-dependent+oxidation+of+Pt3Co+nanoparticles+via+in+situ+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((In+Situ+observation+of+Rh-CaTiO3+catalysts+during+reduction+and+oxidation+treatments+by+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Catalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+application+of+in+situ+analytical+transmission+electron+microscopy+to+the+study+of+preferential+intergranular+oxidation+in+Alloy+600%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Introducing+and+controlling+water+vapor+in+closed-cell+in+situ+electron+microscopy+gas+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Visualization+of+oscillatory+behaviour+of+Pt+nanoparticles+catalysing+CO+oxidation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Reversible+transformation+of+Pt+nanoparticles+into+single+atoms+inside+high-silica+chabazite+zeolite%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Single-step+conversion+of+ethanol+to+n-butenes+over+Ag-ZrO2%2FSiO2+catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Catalyst%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Surface+faceting+and+elemental+diffusion+behaviour+at+atomic+scale+for+alloy+nanoparticles+during+in+situ+annealing%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Single-iron+site+catalysts+with+self-assembled+dual-size+architecture+and+hierarchical+porosity+for+proton-exchange+membrane+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Catalysis+B%3A+Environmental%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((An+Exceptionally+mild+and+scalable+solution-phase+synthesis+of+molybdenum+carbide+nanoparticles+for+thermocatalytic+CO2+hydrogenation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Methanol+oxidative+dehydrogenation+and+dehydration+on+carbon+nanotubes%3A+active+sites+and+basic+reaction+kinetics%5BTitle%5D)+AND+%22Sustainable+Energy+Fuels%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((In+situ+electrochemical+scanning%2Ftransmission+electron+microscopy+of+electrode-electrolyte+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22MRS+Bulletin%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((In+situ+scanning+transmission+electron+microscopy+of+Ni+nanoparticle+redispersion+via+the+reduction+of+hollow+NiO%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Evolution+and+stabilization+of+subnanometric+metal+species+in+confined+space+by+in+situ+TEM%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Visualizing+redox+dynamics+of+a+single+Ag%2FAgCl+heterogeneous+nanocatalyst+at+atomic+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Complex+structural+dynamics+of+nanocatalysts+revealed+in+operando+conditions+by+correlated+imaging+and+spectroscopy+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atom-resolved+imaging+of+dynamic+shape+changes+in+supported+copper+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Atomic-scale+electron+microscopy+at+ambient+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Materials+for+future+nuclear+energy+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Materials%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Effect+of+Al+and+Cr+content+on+air+and+steam+oxidation+of+FeCrAl+alloys+and+commercial+APMT+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22Oxidation+of+Metals%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Fusion+materials+science+and+technology+research+opportunities+now+and+during+the+ITER+era%5BTitle%5D)+AND+%22Fusion+Engineering+and+Design%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Oxidation+of+metallic+materials+in+simulated+CO2%2FH2O-rich+service+environments+relevant+to+an+oxyfuel+plant%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+Forum%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Thermal+barrier+coatings+for+aeroengine+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Propulsion+and+Power%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Novel+method+for+precision+controlled+heating+of+TEM+thin+sections+to+study+reaction+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Temperature+measurement+by+a+nanoscale+electron+probe+using+energy+gain+and+loss+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Water+vapor+in+closed-cell+in+situ+gas+reactions%3A+Initial+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Model+%22alloy%22+specimens+for+MEMS-based+closed-cell+gas-reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+utility+of+Xe-plasma+FIB+for+preparing+aluminum+alloy+specimens+for+MEMS-based+in+situ+double-tilt+heating+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Practical+aspects+of+electrochemical+corrosion+measurements+during+in+situ+analytical+transmission+electron+microscopy+%28TEM%29+of+austenitic+stainless+steel+in+aqueous+media%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Sample+preparation+methodologies+for+in+situ+liquid+and+gaseous+cell+analytical+transmission+electron+microscopy+of+electropolished+specimens%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Convenient+preparation+of+high-quality+specimens+for+annealing+experiments+in+the+transmission+electron+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Microscopy+and+Microanalysis%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Effect+of+gallium+focused+ion+beam+milling+on+preparation+of+aluminum+thin+foils%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Microscopy%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Probing+battery+chemistry+with+liquid+cell+electron+energy+loss+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Probing battery chemistry with liquid cell electron energy loss spectroscopy.</a> Chemical Communications. 51 (91), 16377-16380 (2015).</li>
</ol>

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).

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...

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 atmosferycznego1,2,3, 4,5,6,7,8,9,10,11,12. Takie podejście może być korzystne w kilku przypadkach, np. w przyspieszonym rozwoju katalizatorów nowej generacji, które są ważne dla wielu procesów konwersji przemysłowej, takich jak jednoetapowa konwersja etanolu do n-butenów przez Ag-ZrO2/SiO213, katalizatory do reakcji redukcji tlenu i reakcji wydzielania wodoru w zastosowaniach ogniw paliwowych14, 15, katalityczne uwodornienie CO2 16, odwodornienie metanolu do formaldehydu lub odwodnienie do eteru dimetylu, które wykorzystują katalizatory metalowe lub wielościenne nanorurki węglowe w reakcji konwersji metanolu w obecności tlenu17. Najnowsze zastosowania tej techniki in situ do badań nad katalizą1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 dostarczyły nowych informacji na temat dynamicznych zmian kształtu katalizatora10,11,23, faceting7, wzrost i mobilność8,20,24. Co więcej, in situ CCGR-STEM może być wykorzystany do badania utleniania w wysokich temperaturach materiałów konstrukcyjnych, które są narażone na agresywne środowisko, od silników turbin gazowych po reaktory rozszczepienia i fuzji nowej generacji, gdzie ważna jest nie tylko wytrzymałość, odporność na pękanie, spawalność czy promieniowanie, ale także odporność na utlenianie w wysokich temperaturach25,26,27,28,29. Specyficzne dla stopów strukturalnych, eksperymenty CCGR-STEM in situ pozwalają na dynamiczne śledzenie indukowanej dyfuzją migracji granic ziaren w warunkach redukcyjnych9 i pomiary kinetyki utleniania w wysokiej temperaturze5,6,30. Przez kilka dziesięcioleci przed niedawnym rozwojem technologii CCGR badania reakcji gazowych in situ prowadzono przy użyciu dedykowanych środowiskowych TEM (E-TEM). Szczegółowe porównanie E-TEM i CCGR-STEM zostało już wcześniej omówione pod adresem10; w związku z tym możliwości E-TEM nie są dalej omawiane w niniejszej pracy.
W tej pracy użyto komercyjnie dostępnego systemu (Tabela Materiałów) składającego się z sterowanego komputerowo kolektora (system dostarczania gazu) i specjalnie zaprojektowanego uchwytu CCGR TEM, który wykorzystuje parę mikroelektromechanicznych (MEMS) opartych na mikroprocesorach krzemowych (np. chip dystansowy i grzałka "E-chip" (Tabela Materiałów)). Każdy E-chip obsługuje amorficzną, przezroczystą dla elektronów membranę SixNy. Chip dystansowy ma membranę SixNy o grubości 50 nm z obszarem widzenia 300 x 300μm2 i stykami "dystansowymi" fotorezystu na bazie żywicy epoksydowej (SU-8) o grubości 5 μm, które są mikrofabrykowane w celu zapewnienia ścieżki przepływu gazu i utrzymania fizycznego przesunięcia między dwoma sparowanymi mikroczipami (<silna klasa="xfig">Rysunek 1A). Część E-chipa pokryta jest membraną ceramiczną SiC o niskiej przewodności ~100 nm; membrana ma układ 3 x 2 z wytrawionymi otworami o średnicy 8 μm, na które nakłada się amorficzna membrana SixNy o grubości ~30 nm (obszar widzenia SixNy) (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1A i <silna klasa = "xfig" > Rysunek 2D), przez które rejestrowane są obrazy. E-chip pełni podwójną rolę zarówno jako podpora dla próbki, jak i grzałka6. Styki Au są mikrofabrykowane na chipie E, aby umożliwić rezystancyjne nagrzewanie membrany SiC. Każdy E-chip jest kalibrowany przy użyciu metod obrazowania promieniowania podczerwonego (IR) (Tabela materiałów)2 i wykazano, że jest dokładny z dokładnością do ±5%31. Kalibracja temperatury jest niezależna od składu i ciśnienia gazu, zapewniając w ten sposób niezależną kontrolę nad temperaturami reakcji w dowolnie wybranych warunkach gazowych. Zaletą grzejnika cienkowarstwowego jest to, że temperaturę do 1 000 °C można osiągnąć w ciągu milisekund. W celu przeprowadzenia reakcji, E-chip umieszcza się na górze chipa dystansowego, tworząc "kanapkę" o zamkniętych komórkach, która izoluje środowisko wokół próbki od wysokiej próżni kolumny TEM. Zaletą tej konfiguracji jest to, że reakcje mogą być przeprowadzane od niskiego ciśnienia do ciśnienia atmosferycznego (760 Torr) z pojedynczymi lub mieszanymi gazami oraz w warunkach statycznych lub przepływowych. Urządzenia MEMS są zabezpieczone zaciskiem (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 1B), który umożliwia włożenie uchwytu w szczelinę o wielkości mm nabiegunnika soczewki obiektywu w przyrządzie S/TEM z korekcją aberracji (Tabela materiałów) (<silna klasa = "xfig">Rysunek 1C). Nowoczesne uchwyty S/TEM in situ zawierają zintegrowane rurki mikroprzepływowe (kapilary), które są połączone z zewnętrznym wężem ze stali nierdzewnej, który z kolei jest podłączony do systemu dostarczania gazu (kolektora). Elektroniczny system sterowania umożliwia kontrolowane dostarczanie i przepływ gazu reagenta przez ogniwo gazowe. Przepływ i temperatura gazu są obsługiwane przez niestandardowy pakiet oprogramowania oparty na przepływie pracy dostarczony przez producenta (tabela materiałów)10,32. Oprogramowanie steruje trzema liniami doprowadzającymi gaz, dwoma wewnętrznymi zbiornikami doprowadzającymi gaz eksperymentalny oraz zbiornikiem odbiorczym dla przepływu gazu powracającego z komórki podczas eksperymentu (<silna klasa = "xfig">Rysunek 1D).
Ze względu na różnorodność materiałów i ich formę, najpierw skupiamy się na kilku metodach osadzania próbek na chipie E, a następnie nakreślamy protokoły przeprowadzania ilościowych eksperymentów in situ/operando z kontrolowaną temperaturą, mieszaniem i przepływem gazów.

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie do przejrzystości atmosfery</td><td>Protochips</td><td>6.5.14</td><td></td></tr><tr><td>Atmosfera Duże Ogrzewanie E-chipy, okno 300 x 300, bez przekładki</td><td>Protochips</td><td>Urządzenie mikroprocesorowe</td><td>EAT-33AA-10</td></tr><tr><td>Atmosfera Małe E-chipy, okno 300 x 300 mikronów, dystans 5 mikronów SU-8</td><td>Protochips</td><td>Mikroprocesor EAB-33W-10</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop</td><td></td><td></td> JEOL <td></td> 2200FS</tr><tr><td>M-bond 610</td><td>Mikroskopia elektronowa Sciences</td><td>50410-30</td><td>klej cyjanoakrylowy (CA)</td></tr><tr><td>Mikron M9103 kamera na podczerwień</td><td>Micron</td><td></td><td>Jest to używane przez Protochips / niedostępne</td></tr><tr><td>Protochips " Fuzja" E-chips</td><td>Protochips</td><td></td><td>chip dystansowy z usuniętą membraną SixNy</td></tr><tr><td>Protochips Atmosfera 200</td><td>Prototyp</td><td>oprogramowania</td><td>Protochips</td></tr><tr><td>Analizator gazów resztkowych R100 (RGA)</td><td>Stanford Research Systems</td><td>R100 SRS</td><td></td></tr></tbody></table>

przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

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

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.

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 (<strong class="xfig"...

Tutaj prezentujemy protokół przeprowadzania eksperymentów z reakcjami na gaz zamkniętymi in situ TEM, jednocześnie szczegółowo opisując kilka powszechnie stosowanych metod przygotowania próbek.

Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

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

Do niedawna analizowaliśmy materiały przed i po niektórych testach. Istnieje jednak potrzeba uzyskania szczegółowych informacji na temat tego, w jaki sposób materiał ulega zmianom strukturalnym i chemicznym w agresywnym środowisku w podwyższonych temperaturach. Specjalnie w tym celu opracowano sekwencyjną reakcję gazową in situ, CCGR, skaningową elektromikroskopię transmisyjną.Badanie dynamicznych zmian w czasie rzeczywistym w podwyższonych temperaturach w środowisku gazowym, aż do pełnego ciśnienia atmosferycznego w szerokim zakresie systemów materiałowych, takich jak katalizatory, materiały strukturalne, nanorurki węglowe i tak dalej. Co więcej, reakcje można badać w różnych skalach długości, od mikronów do poziomu skali atomowej. Jest to bardzo ważne, ponieważ przy mniejszych powiększeniach możemy dowiedzieć się wiele o ogólnym zachowaniu systemu i wydobyć informacje kinetyczne.Na poziomie skali atomowej możemy dowiedzieć się o mechanizmach reakcji i kinetyce zachodzących na powierzchni, a także o interfejsach, które są specyficzne dla danego miejsca. Jest to naprawdę niezwykłe, aby uzyskać obrazy o rozdzielczości atomowej przy ciśnieniu atmosferycznym i nie można tego zrobić żadnymi technikami eksperymentalnymi. Protokół ten pokazuje, jak przeprowadzić reakcję gazową in situ w komórkach zamkniętych za pomocą elektromikroskopii in situ.Zwrócono również uwagę na przygotowanie próbek i związane z nim wyzwania dla różnych materiałów. Bezpośrednie osadzanie proszku przez odlewanie kroplowe z roztworu koloidalnego. Zmiażdż proszek, jeśli cząstki proszku są zbyt duże.Wymieszaj niewielką ilość proszku i dwa mililitry rozpuszczalnika. Ilość jest określana na podstawie eksperymentów. Sonikować roztwór przez pięć minut, aby utworzyć zawiesinę koloidalną.Umieść E-chip na uchwycie mocującym E-chip. Odlewać zawiesinę za pomocą mikropipety bezpośrednio na E-chip. Wyczyść złoty styk chłonnym papierowym punktem podczas viewrzucaj mikroskopem stereoskopowym.Bezpośrednie osadzanie proszku przez maskę. Umieść nowy czysty E-chip na uchwycie mocującym E-chip. Użyj maski i umieść go bezpośrednio na chipie E w urządzeniu.Użyj górnej płyty, aby clamp nowy czysty chip E i maskę razem w urządzeniu. Nanieś niewielką ilość proszku za pomocą szpatułki bezpośrednio na membranę z azotku krzemu nowego czystego E-chipa przez maskę. Delikatnie wibruj urządzeniem, aby potrząsnąć cząstkami do E-chipa.Można to zrobić za pomocą jednostki sonikacyjnej i umieszczenia oprawy w suchej zlewce. Strząśnij nadmiar proszku, zdemontuj system i sprawdź rozmieszczenie proszku na chipie E. Metody osadzania przez odparowanie wiązką elektronów, rozpylanie jonów lub magnetronu.Utwórz maskę wzoru za pomocą chipa dystansowego z membraną z azotku krzemu i mikroporowatym okienkiem TEM z azotku krzemu. Użyj kleju cyjajakrylanowego, aby przymocować do mikroporowatego okienka TEM z azotku krzemu ekranem do dołu nad otworem o wymiarach 50 na 250 mikronów, zgodnie z zaleceniami producenta. Następnie powtórz procedurę, aby przygotować tyle masek wzorów, ile potrzeba dla E-chipów.Umieść nowy czysty E-chip na uchwycie E-chip. Umieść maskę wzoru na chipie E. Zakryj górną płytę i clamp ją.Użyj techniki odparowywania wiązką elektronów, rozpylania jonów lub napylania magnetronowego. Zdemontuj system i sprawdź E-chip z osadzonym materiałem. Skupiona wiązka jonów lub frezowanie FIB.Przygotuj lamelę TEM za pomocą FIB. Umieść lamelę TEM na chipie E. Upewnij się, że mocując próbkę do E-chipa, nie uszkodzisz membrany z azotku krzemu.Przygotowanie uchwytu CCGR-TEM. Pobierz żądany plik kalibracyjny. Sprawdź rezystancję układu E-chip.Zmierz rezystancję grzałki z węglika krzemu, aby upewnić się, że mieści się ona w zakresie rezystancji dla tej konkretnej kalibracji układu elektronicznego, zgodnie z instrukcją producenta CCGR. Zdejmij clamp z górnej części uchwytu. Wyczyść końcówkę uchwytu CCGR-TEM za pomocą chłonnych punktów papierowych lub sprężonego powietrza, upewniając się, że na rowkach O-ringów nie pozostały żadne zanieczyszczenia.Umieść chip dystansowy w uchwycie CCGR-TEM. Umieść E-chip tak, aby styki grzałki prawidłowo łączyły się ze stykami elektrycznymi za pomocą elastycznego na uchwycie. Następnie dokręć dociskowe.Zmierz ponownie rezystancję grzałki z węglika krzemu po zamontowaniu uchwytu CCGR-TEM, aby upewnić się, że mieści się ona w zakresie rezystancji dla tej konkretnej kalibracji E-chipa, zgodnie z instrukcją producenta CCGR. Przygotowanie zestawu eksperymentalnego. Piecz i pompuj system przez noc, z podłączonym uchwytem lub bez.Załaduj uchwyt i podłącz rurkę. Na potrzeby eksperymentu przepompuj i przepłucz system gazem obojętnym. Na przykład dwa razy od 100 Torr do 0,5 Torr.Przygotować pompę końcową i przedmuchnąć od 100 Torr do 0,001 Torr. Analizator gazów resztkowych. Podczas procedury pompowania i przedmuchiwania włącz system RGA, aby rozgrzać filament.Zintegrowanie RGA z systemem reaktora gazowego o zamkniętych komórkach in situ na trzpieniu zapewnia krytyczne pomiary w celu skorelowania składu gazu z dynamiczną ewolucją powierzchni materiałów podczas reakcji. Ciągłe monitorowanie gazów jest niezbędne do przeprowadzania reakcji na katalizatorach i materiałach konstrukcyjnych z mieszaniną gazów lub podczas zmiany gazów i ciśnień, a zwłaszcza gdy para wodna jest włączona do mieszaniny gazów. Podłącz gaz płuczący do VDS i przekręć pokrętło dźwigni do wydechu, a następnie obróć do pozycji parkowania.Sprężyć VDS, przepływając gaz obojętny trzy razy lub do momentu, gdy nie będzie już cieczy. Przekręć pokrętło do pozycji parkowania i przymocuj VDS do kolektora. Przekręć pokrętło do pozycji napełniania, a następnie odłącz przewód gazu przedmuchującego.Ustaw ciśnienie pary na 18,7 Torr w oprogramowaniu do sterowania gazem. Przepompuj VDS do podciśnienia, które wynosi 0,1 Torr. Napełnij VDS wodą o średnicy 2 milimetrów za pomocą strzykawki i rurki.Należy pamiętać, że jeśli potrzebna jest para o wyższej czystości, wymagane są dodatkowe etapy oczyszczania. Uruchamianie reakcji. Upewnij się, że wszystkie gazy są podłączone do kolektora.Korzystając z oprogramowania do nazewnictwa atmosfery, ustaw odpowiednie gazy dla reakcji i zapisz plik wierszy. W obszarze Konfiguracja układu elektronicznego wybierz odpowiedni plik kalibracyjny dla układu E-chip i uruchom kalibrację. Pod pompą i przedmuchiwaniem patrz przygotowanie zestawu eksperymentalnego.W obszarze Kontrola gazu wybierz skład gazu. W obszarze Temperatura wybierz szybkość ogrzewania i temperaturę docelową. Rozpocznij eksperyment.Zacznij przepływać gaz. Rozpocznij obrazowanie. Zapisz skład gazu.Reprezentatywne wyniki. Przykład wyników CCGR-STEM in situ. Zdjęcia STEM w jasnym polu pokazują przykład ewolucji powierzchni nanocząstki platyny na tytanowym podłożu pod wpływem pary wodnej.Zmiany strukturalne w cząsteczce platyny wskazują na przegrupowanie struktury związane z niewielkimi zmianami kształtu podczas monitorowania składu gazu. Zakończ eksperyment. Wyłącz temperaturę.Zatrzymaj przepływ gazu. Zakończ sesję. Streszczenie. Na przykład CCGR-STEM jest korzystny dla przyspieszonego rozwoju katalizatorów nowej generacji o wysokiej trwałości, które są ważne dla wielu procesów konwersji katalitycznej, takich jak szybka piroliza katalityczna jednoetapowa konwersja etanolu do N-butanu, a następnie do paliwa lotniczego lub hydrogeneracji CO2 i tak dalej.Co więcej, CCGR-STEM może być wykorzystany do badania utleniania materiałów konstrukcyjnych w wysokich temperaturach w środowiskach agresywnych, do naśladowania zachowania materiałów podobnych, na przykład, do środowiska silników turbin gazowych lub do reaktorów rozszczepienia lub fuzji jądrowej nowej generacji.

performing-situ-closed-cell-gas-reactions-transmission-electron

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy tutaj sposób wykorzystania kriotomografii elektronowej (ECT) do badania ultrastruktury komórek bakteryjnych w stanach zbliżonych do naturalnych, z rozdzielczością „makrocząsteczkową” (~4 nm).

Kriotomografia elektronowa komórek bakteryjnych

Opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie przez ciecze za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach mogą być ujawniane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową.

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

Tutaj opisujemy procedurę obrazowania kompleksów wirusowych w cieczy w rozdzielczości nanometrowej za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

In situ TEM zespołów biologicznych w cieczy

Zależne od czasu przebicie dielektryczne (TDDB) w stosach połączeń na chipie jest jednym z najbardziej krytycznych mechanizmów awarii urządzeń mikroelektronicznych. W artykule przedstawiono procedurę eksperymentu in situ TDDB w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, co otwiera możliwość zbadania mechanizmu awarii w produktach mikroelektronicznych.

In Situ Zależny od czasu przewrót dielektryczny w transmisyjnym mikroskopie elektronowym: możliwość zrozumienia mechanizmu awarii w urządzeniach mikroelektronicznych

Przedstawiono instrument i metody do przygotowania objętości próbek o rozmiarach nanolitrów do transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Nie są wymagane żadne etapy papierowego blottingu, co pozwala uniknąć szkodliwych konsekwencji, jakie może to mieć dla białek, znacznie zmniejszając utratę próbki i umożliwiając analizę lizatu pojedynczej komórki do wizualnej proteomiki.

Zminiaturyzowane przygotowanie próbki do transmisyjnej mikroskopii elektronowej

Przedstawiamy protokół do badania rozkładu mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego w całych komórkach po modyfikacji genetycznej za pomocą korelacyjnej mikroskopii elektronowej światła i objętości, w tym barwienia peroksydazą askorbinianową 2 i peroksydazy chrzanowej, seryjnego cięcia komórek z i bez genu docelowego w tej samej sekcji oraz seryjnego obrazowania za pomocą mikroskopii elektronowej.

Obrazowanie mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego za pomocą korelacyjnej mikroskopii świetlnej i objętościowej

Przedstawiono protokół przygotowania mikrodobitkowych komórek płynnych z grafenem do mikroskopii elektronowej in situ nanokryształów złota z roztworu prekursorowego HAuCl4. Ponadto przedstawiono procedurę analizy w celu ilościowego określenia obserwowanego trawienia i dynamiki wzrostu.

Przygotowanie ciekłych komórek mikrostudzienkowych na bazie grafenu do transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Celem tego protokołu jest skierowanie adhezji i wzrostu komórek do docelowych obszarów siatek do mikroskopii krioelektronowej. Osiąga się to poprzez nałożenie warstwy przeciwporostowej, która jest ablowana w określonych przez użytkownika wzorach, a następnie osadzanie się białek macierzy zewnątrzkomórkowej w obszarach wzorzystych przed wysiewem komórek.

Mikrowzorce Transmisyjne siatki mikroskopii elektronowej do bezpośredniego pozycjonowania komórek w przepływach pracy kriotomografii elektronowej całej komórki

Obecny protokół opisuje modyfikacje transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) z systemem oświetlenia świetlnego, wytwarzanie komórek płynnych oraz obserwacje in situ TEM indukowanych światłem interakcji między komórkami bakteryjnymi a fotosensybilizatorem. Omówiono również metody przygotowania próbek, uszkodzenia wiązki elektronów i obrazowanie.

Indukowana światłem transmisyjna mikroskopia elektronowa in situ do obserwacji oddziaływania ciecz-miękka materia

Tomografia krio-STEM umożliwia wizualizację organelli nienaruszonych komórek bez osadzania, cięcia lub innych inwazyjnych przygotowań. Uzyskana rozdzielczość 3D mieści się obecnie w zakresie kilku nanometrów, przy polu widzenia kilku mikrometrów i dostępnej grubości rzędu 1 μm.

Wizualizacja organelli in situ za pomocą tomografii krio-STEM

Poznaj metodę CCGR-STEM do obserwacji w czasie rzeczywistym zmian strukturalnych materiałów w środowisku gazowym pod zwiększonym ciśnieniem. Technika ta umożliwia analizę katalizatorów i nanorurek węglowych.

Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

Przeglądaj więcej filmów