Aqui, apresentamos um protocolo para a realização in situ TEM experimentos de reação de gás de células fechadas enquanto detalhamos vários métodos de preparação de amostras comumente usados.
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Artigo de método
Realizando reações de gás de célula fechada situ no microscópio eletrônico de transmissão
Neste artigo
Resumo
Resumo
Reações gasosas estudadas pela microscopia eletrônica in situ podem ser usadas para capturar as transformações morfológicas e microquímicas em tempo real de materiais em escalas longas até o nível atômico. Em situ, estudos de reação de gás de células fechadas (CCGR) realizados usando microscopia eletrônica de transmissão (varredura) podem separar e identificar reações dinâmicas localizadas, que são extremamente desafiadoras de capturar usando outras técnicas de caracterização. Para esses experimentos, utilizamos um suporte CCGR que utiliza microchips de aquecimento baseados em sistemas microeletromecânicos (MEMS) (doravante referidos como "E-chips"). O protocolo experimental descrito aqui detalha o método para realizar reações de gás in situ em gases secos e úmidos em um STEM corrigido pela aberração. Este método encontra relevância em muitos sistemas de materiais diferentes, como a catálise e a oxidação de alta temperatura de materiais estruturais à pressão atmosférica e na presença de vários gases com ou sem vapor de água. Aqui, vários métodos de preparação de amostras são descritos para vários fatores de forma material. Durante a reação, os espectros de massa obtidos com um sistema de analisador de gás residual (RGA) com e sem vapor de água validam ainda mais as condições de exposição ao gás durante as reações. A integração de uma RGA com um sistema CCGR-STEM in situ pode, portanto, fornecer uma visão crítica para correlacionar a composição do gás com a evolução dinâmica da superfície dos materiais durante as reações. Estudos in situ/operandoutilizando essa abordagem permitem uma investigação detalhada dos mecanismos de reação fundamental e cinética que ocorrem em condições ambientais específicas (tempo, temperatura, gás, pressão), em tempo real, e em alta resolução espacial.
Introdução
É necessário obter informações detalhadas sobre como um material sofre alterações estruturais e químicas sob exposição a gás reativo e a temperaturas elevadas. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) a microscopia eletrônica de transmissão de transmissão de células fechadas (STEM) foi desenvolvida especificamente para estudar as mudanças dinâmicas ocorridas em uma ampla gama de sistemas de materiais (por exemplo, catalisadores, materiais estruturais, nanotubos de carbono, etc.) quando submetidos a temperaturas elevadas, diferentes ambientes gasosos e pressões do vácuo à pressão atmosférica total1,2,
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Protocolo
1. Preparação do e-chip
- Deposição direta em pó por drop-casting de uma solução coloidal(Figura 2A).
- Esmague o pó se os agregados de partículas de pó forem muito grandes. Faça isso usando uma pequena argamassa e pilão (agregados esmagados devem ser <5 μm de tamanho). Misture uma pequena quantidade (por exemplo, ~0,005 mgs, quantidade determinada pela experiência) de pó em 2 mL do solvente (por exemplo, isopropanol ou etanol).
- Sonicar a mistura por cerca de 5 minutos para criar uma suspensão coloidal.
- Coloque o E-chip no dispositivo de retenção do chip E. Retire aproximadamente 1 μL da suspensão usand....
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Resultados
Amostras para reações de gás de células fechadas baseadas em MEMS:
Deposição direta de pó por lançamento de uma solução coloidal e através de uma máscara
Dependendo do material a ser estudado, existem várias maneiras diferentes de preparar e-chips para experimentos ccgr-STEM in situ/operando. Preparar a célula gasosa para estudos de catálise normalmente requer dispersão das nanopartículas catalisadoras no E-chip seja a partir de uma suspensão líquida coloidal
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Discussão
No presente trabalho, demonstra-se uma abordagem para realizar reações in situ STEM com e sem vapor de água. O passo crítico dentro do protocolo é a preparação do e-chip e a manutenção de sua integridade durante o procedimento de carregamento. A limitação da técnica é (a) o tamanho da amostra e sua geometria para se encaixar na lacuna nominal de 5-μm entre dispositivos de microchip de silício baseados em pared (MEMS), bem como (b) uma pressão total usada nos experimentos com vapor de água, uma vez que a maior pr.......
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Divulgações
Os autores não declaram conflitos de interesse.
Este manuscrito foi de autoria da UT-Battelle, LLC sob o Contrato Nº. DE-AC05-00OR22725 com o Departamento de Energia dos EUA. O Governo dos Estados Unidos retém e o editor, ao aceitar o artigo para publicação, reconhece que o Governo dos Estados Unidos mantém uma licença mundial não exclusiva, paga, irrevogável para publicar ou reproduzir a forma publicada deste manuscrito, ou permitir que outros o façam, para fins do Governo dos Estados Unidos. O Departamento de Energia fornecerá acesso público a esses resultados de pesquisas patrocinadas pelo governo federal de acordo com o Plano de Acesso Público do DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).
Agradecimentos
Esta pesquisa foi patrocinada principalmente pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado ao Laboratório do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), gerenciado pela UT-Battelle LLC, para o Departamento de Energia dos EUA (DOE). Parte do desenvolvimento para introduzir vapor de água na célula de gás in situ foi patrocinado pelo DOE dos EUA, Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, Bio-Energy Technologies Office, sob contrato DE-AC05-00OR22725 (ORNL) com UT-Battle, LLC, e em colaboração com o Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio Consortium), membro da Rede de Materiais energéticos (EMN). Este trabalho foi de autoria, em parte....
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Atmosfera Clarity Software | Protochips | 6.5.14 | |
| Atmosfera Grande Aquecimento E-chips, janela de 300 x 300, sem espaçador | Protochips | EAT-33AA-10 | dispositivo de microchip |
| Atmosfera Pequenos E-chips, janela de 300 x 300 mícrons, espaçador SU-8 de 5 mícrons | Protochips | EAB-33W-10 | dispositivo de microchip |
| JEOL 2200FS | JEOL | microscópio | |
| M-bond 610 | Ciências de Microscopia Eletrônica | 50410-30 | cola de cianoacrilato (CA) |
| Mikron M9103 IR câmera | Micron | Isso é usado por Protochips/ não disponível | |
| Protochips " Fusão" E-chips | protochips | com membrana de SixNy removida | |
| Protochips Atmosfera 200 | Protochips | protótipo de software | |
| Analisador de Gás Residual R100 (RGA) | Stanford Research Systems | R100 SRS |
Referências
- 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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Reimpressões e permissões
