Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Utføre in situ lukket celle gassreaksjoner i transmisjonselektronmikroskopet

Published: July 24, 2021 doi: 10.3791/62174
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4, 4, 1, 5
1Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory, 2Protochips Inc., 3Department of Materials Science & Engineering, University of Michigan, 4Catalytic Carbon Transformation & Scale-up, National Renewable Energy Laboratory, 5Materials Science & Technology Division, Oak Ridge National Laboratory

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å utføre in situ TEM lukket celle gassreaksjonseksperimenter mens vi beskriver flere ofte brukte prøveprepareringsmetoder.

Abstract

Gassreaksjoner studert ved in situ elektronmikroskopi kan brukes til å fange sanntids morfologiske og mikrokjemiske transformasjoner av materialer i lengdeskalaer ned til atomnivå. In situ closed-cell gas reaction (CCGR)-studier utført ved hjelp av (skanning) overføringselektronmikroskopi (STEM) kan skille og identifisere lokaliserte dynamiske reaksjoner, som er ekstremt utfordrende å fange opp ved hjelp av andre karakteriseringsteknikker. For disse eksperimentene brukte vi en CCGR-holder som benytter mikroelektromekaniske systemer (MEMS)-baserte varmemikrochips (heretter kalt "E-chips"). Den eksperimentelle protokollen som er beskrevet her beskriver metoden for å utføre in situ gassreaksjoner i tørre og våte gasser i en avvikskorrigert stamme. Denne metoden finner relevans i mange forskjellige materialsystemer, for eksempel katalyse og høytemperaturoksidasjon av strukturelle materialer ved atmosfærisk trykk og i nærvær av ulike gasser med eller uten vanndamp. Her er flere prøveforberedelsesmetoder beskrevet for ulike materielle formfaktorer. Under reaksjonen validerer massespektra oppnådd med et RGA-system (residual gas analyzer) med og uten vanndamp ytterligere gasseksponeringsforhold under reaksjoner. Integrering av en RGA med et in situ CCGR-STEM-system kan derfor gi kritisk innsikt for å korrelere gasssammensetning med den dynamiske overflateutviklingen av materialer under reaksjoner. In situ/operando-studier ved hjelp av denne tilnærmingen tillater detaljert undersøkelse av de grunnleggende reaksjonsmekanismene og kinetikken som oppstår ved spesifikke miljøforhold (tid, temperatur, gass, trykk), i sanntid og med høy romlig oppløsning.

Introduction

Det er behov for å innhente detaljert informasjon om hvordan et materiale gjennomgår strukturelle og kjemiske endringer under reaktiv gasseksponering og ved forhøyede temperaturer. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) skanning transmission electron microscopy (STEM) ble utviklet spesielt for å studere de dynamiske endringene som forekommer i et bredt spekter av materialsystemer (f.eks. katalysatorer, strukturelle materialer, karbonnanorør, etc.) når de utsettes for forhøyede temperaturer, forskjellige gassformige miljøer og trykk fra vakuum til fullt atmosfærisk trykk1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Denne tilnærmingen kan være gunstig i flere tilfeller, for eksempel i den akselererte utviklingen av neste generasjons katalysatorer som er viktige for en rekke industrielle konverteringsprosesser, for eksempel enkelttrinnskonvertering av etanol til n-men over Ag-ZrO2/ SiO213, katalysatorer for oksygenreduksjonsreaksjon og hydrogenutviklingsreaksjon i brenselcelleapplikasjoner14,15, katalytisk CO2 hydrogenering16, metanol dehydrogenering til formaldehyd eller dehydrering til dimetyl eter som bruker enten metallkatalysatorer eller flerveggede karbonnanorør i en metanolkonverteringsreaksjon i nærvær avoksygen. Nylige anvendelser av denne in situ-teknikken for katalyseforskning1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 har gitt ny innsikt i dynamiske katalysatorformer10,11,23, med forsiden7, vekst og mobilitet8,20,24. Videre kan in situ CCGR-STEM brukes til å undersøke høytemperaturoksidasjonsadferden til strukturelle materialer som er utsatt for aggressive miljøer, fra gassturbinmotorer til neste generasjons fisjons- og fusjonsreaktorer, hvor ikke bare styrke, bruddseighet, sveisbarhet eller stråling er viktig, men også høytemperatur oksidasjonsmotstand25,26,27,28,29. In situ CCGR-STEM-eksperimenter er spesifikke for strukturelle legeringer, og muliggjør dynamisk sporing av diffusjonsindusert korngrensemigrering under reduserte forhold 9 ogmålinger av oksidasjonskinetikk ved høy temperatur5,6,30. I flere tiår før den nylige utviklingen av CCGR-teknologier ble in situ gassreaksjonsstudier utført ved hjelp av dedikerte miljø-TEMer (E-TEMer). En detaljert sammenligning av E-TEM og CCGR-STEM har tidligere blitt adressert10; E-TEM-funksjoner diskuteres derfor ikke nærmere i dette arbeidet.

I dette arbeidet ble det brukt et kommersielt tilgjengelig system (Materialliste) som består av en datastyrt manifold (gassleveringssystem) og en spesialdesignet CCGR TEM-holder som benytter et par mikroelektromekaniske (MEMS)-baserte silisiummikrochipenheter (f.eks. avstandsstykke og "E-chip" varmeapparat(materialbord)). Hver E-chip støtter en amorf, elektron-gjennomsiktig SixNy-membran. Avstandsbrikken har en 50 nm tykk SixNy-membran med en 300 x 300 μm2 visningsområde og 5 μm tykk epoksybasert fotoresist (SU-8) "spacer"-kontakter som er mikrofabricated for å gi en gassstrømbane og opprettholde en fysisk forskyvning mellom de to parrede mikrobrikkene (Figur 1A). En del av E-brikken er dekket med lav ledningsevne ~ 100 nm SiC keramisk membran; membranen har en 3 x 2 matrise med 8 μm-diameter etsede hull overlappet av en ~ 30 nm tykk amorf SixNy membran (SixNy visningsområde) (Figur 1A og Figur 2D), gjennom hvilke bilder er registrert. E-brikken har en dobbel rolle som både prøvestøtte og varmeapparat6. Au kontakter er mikrofabricated på E-chip for å tillate resistiv oppvarming av SiC membranen. Hver E-chip kalibreres ved hjelp av infrarød stråling (IR) avbildningsmetoder (Tabell over materialer)2 og har vist seg å være nøyaktig innenfor ±5%31. Temperaturkalibrering er uavhengig av gasssammensetning og trykk, og gir dermed uavhengig kontroll over reaksjonstemperaturer under eventuelle valgte gassforhold. Fordelen med en tynnfilmvarmer er at temperaturer opp til 1000 °C kan nås innen millisekunder. For å utføre reaksjonen plasseres E-brikken på toppen av avstandsbrikken, og skaper den lukkede celle "sandwich" som isolerer miljøet rundt prøven fra det høye vakuumet i TEM-kolonnen. Fordelen med dette oppsettet er at reaksjoner kan utføres fra lavt trykk opp til atmosfærisk trykk (760 Torr) med enkle eller blandede gasser og under statiske eller strømningsforhold. MEMS-enhetene er festet med en klemme (figur 1B) som gjør at holderen kan settes inn i mm-størrelsesgapet på det objektive linsestangstykket i et avvikskorrigert S/TEM-instrument (Materialbord) (Figur 1C). Moderne in situ S/TEM-holdere inkluderer integrert mikrofluidic tubing (kapillærer) som er koblet til den eksterne rustfrie stålslangen, som igjen er koblet til gassleveringssystemet (manifold). Et elektronisk kontrollsystem tillater kontrollert levering og strømning av reaktantgass gjennom gasscellen. Gassstrøm og temperatur drives av en tilpasset arbeidsflytbasert programvarepakke levert av produsenten (Tabell over materialer)10,32. Programvaren kontrollerer tre gassinngangslinjer, to interne eksperimentelle gassleveringstanker og en mottakstank for gassstrøm som kommer tilbake fra cellen under eksperimentet (Figur 1D).

På grunn av variasjonen av materialer og deres formfaktor, fokuserer vi først på flere prøveavsetningsmetoder på E-brikken, og skisserer deretter protokoller for å utføre kvantitative in situ / operando-eksperimenter med kontrollert temperatur, gassblanding og strømning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forberedelse av e-chip

  1. Direkte pulveravsetning ved dråpestøping fra en kolloidal oppløsning (Figur 2A).
    1. Knus pulveret hvis pulverpartikkelaggregatene er for store. Gjør dette ved hjelp av en liten mørtel og pestle (knuste aggregater skal være <5 μm i størrelse). Bland en liten mengde (f.eks. ~0,005 mg, mengde bestemt av erfaring) av pulver i 2 ml av løsningsmidlet (f.eks. isopropanol eller etanol).
    2. Soniker blandingen i rundt 5 min for å lage en kolloidal suspensjon.
    3. Plasser E-brikken på E-chip-festearmaturen. Slipp støpt ca. 1 μL av suspensjonen med en mikropipetten på 0,5-2,5 μL direkte på E-brikken.
    4. Rengjør Au-kontaktene for å fjerne fjæringen med et absorberende papirpunkt mens du ser gjennom et stereomikroskop.
  2. Direkte pulveravsetning gjennom en maske (Figur 2B).
    1. Knus pulveret (f.eks. Pt/TiO2) tørt hvis pulverpartiklene er for store (som i 1.1.1).
    2. Plasser en ny ren E-chip på E-chip-festearmaturen (Figur 3D). Bruk en maske, som er en annen E-brikke med SixNy-membranen fjernet (ved å bryte den med pinsett eller komprimert gass) og plasser den direkte på E-brikken i armaturen.
    3. Bruk topplaten til å klemme en ny ren E-chip og en maske sammen i armaturen.
    4. Deponer en liten mengde pulver ved hjelp av en slikkepott direkte på silisiumnitrilmembranen i masken.
    5. Vibrer forsiktig armaturen for å riste partiklene ned til E-brikken. Dette kan enten gjøres ved hjelp av en vakuum pinsettenhet ved å holde armaturen på toppen av enheten mens den kjører eller ved hjelp av en sonikeringsenhet og plassere armaturen i et tørt beger.
    6. Rist av overflødig pulver, demonter systemet og inspiser plasseringen av tørt pulver på E-brikken ved hjelp av et stereomikroskop.
  3. Avsetningsmetode ved enten elektronstrålefordampning, ion eller magnetron sputtering.
    MERK: Denne metoden brukes til å lage enten et enkeltelementsystem eller modelllegeringsprøver av kjent geometri og sammensetning.
    1. Opprette en mønstermaske (figur 3).
      MERK: Klargjør mønstermasken på forhånd siden det tar litt tid.
    2. Bruk en avstandsstykke med fjernet SixNy-membran. I dette eksperimentet ble en E-chip som vanligvis brukes i væskecelleforsøk brukt etter forsiktig å bryte ut SixNy-membranen som resulterte i 50 x 250 μm åpning. Denne avstandsstykken med fjernet SixNy-membran vil bli kombinert med en annen brikke, med en rekke hull (f.eks. silisiumnitritt (SiN) mikroporøs TEM-vindu 33).
    3. Bruk cyanoacrylat (CA)-lim (Materialbord) til å feste SiN Microporous TEM-vinduet med forsiden ned (SiN mønsterfilm bort fra avstandsstykken) over åpningen på 50 x 250 μm etter produsentens anbefaling (Figur 3B,C).
    4. Gjenta prosedyren for å forberede så mange mønstermasker som nødvendig, avhengig av de planlagte forsøkene.
    5. Plasser en ny ren E-chip på E-chip-armaturen (Figur 3D).
    6. Plasser mønstermasken på E-brikken (Figur 3C,D).
    7. Dekk til med topplaten og klem den fast (Figur 3D).
    8. Bruk enten elektronstrålefordampning, ionsprut eller magnetron sputtering avsetningsteknikker. Dette er de anbefalte metodene som brukes til å sprute materiale av interesse direkte gjennom mønstermasken.
      MERK: Det kan være viktig å rense avsetningssystemet for å fjerne gjenværende oksygen før avsetningen for avleiringer av materialer med høyere renhet33.
    9. Demonter systemet og inspiser E-brikken med et stereomikroskop for å sikre god overholdelse av det avsatte materialet på E-brikkens SixNy-membran.
  4. Fib fresing (fokusert ionstråle) (figur 2C).
    1. Forbered en standard TEM lamell ved hjelp av FIB. Bruk lav kV (f.eks. 2-5 kV) for det siste fresetrinnet for å fjerne skader forårsaket av FIB-fresing ved høye spenninger (30-40 kV).
    2. Plasser TEM lamellen på E-brikken ved hjelp av standard FIB-prosedyrer. Ikke skad SixNy-membranen når du fester FIB-preparert TEM lamell på E-brikken. Se Allard et al.34 og andre publikasjoner30,35,36 for detaljer om de forskjellige metodene ved hjelp av Xe-PFIB- og Ga-FIB-instrumenter for lamellforberedelse.

2. Forberedelse av atmosfæren (CCGR-TEM) holder

  1. Last ned ønsket kalibreringsfil.
  2. Mål motstanden til SiC-varmeren for å sikre at den er innenfor motstandsområdet for den aktuelle E-chipkalibreringen som leveres av CCGR-produsenten.
  3. Fjern klemmen fra CCGR-TEM-holderen.
  4. Rengjør spissen på CCGR-TEM-holderen ved hjelp av absorberende papirpunkter og/eller trykkluft, og pass på at det ikke er rester igjen på O-ringsporene. Plasser deretter den spesielle dobbeltpakningstetningen i spissen.
  5. Plasser avstandsstykken i CCGR-TEM-holderen.
  6. Plasser E-brikken som inneholder prøven som ble fremstilt ved hjelp av en av metodene som er nevnt i avsnitt 1 med varmerens kontakter ned på avstandsstykken, noe som gir en riktig tilkobling til de elektriske kontaktene til flex-kabelen i holderen.
  7. Plasser holderklemmeplaten på toppen av E-brikken ved hjelp av pinsett, plasser skruene på det angitte stedet på spissen av CCGR-TEM-holderen, og drei deretter settskruene med et endelig dreiemoment til 0,2 lb-ft.
  8. Mål igjen, motstanden til SiC-varmeren etter montering av CCGR-TEM-holderen for å sikre at den er innenfor motstandsområdet for den aktuelle E-chipkalibreringen som leveres av CCGR-produsenten.
    MERK: Her brukes en spesiell adapter som kobles direkte til holderens elektriske tilkoblinger. Dette gjør det mulig å foreta motstandsmålinger gjennom CCGR-TEM-holderen og sammenkoblede mikrobrikkeenheter mens de er ferdig montert i holderen.

3. Forberedelse av det eksperimentelle oppsettet

  1. Stek og pump ned systemet (manifold, holder, gasstanker og RGA-kammer) over natten, enten med eller uten holderen tilkoblet ved å trykke på Bake-knappen i gasskontrollprogramvaren.
  2. Legg holderen i mikroskopet for skanningsoverføringselektron og koble gassrørene fra manifolden til CCGR-TEM-holderen.
  3. For eksperimentet pumper og renser du systemet med en inert gass (f.eks. Ar eller N2) to ganger fra 100 Torr til 0,5 Torr.
  4. Utfør en endelig pumpe og tøm fra 100 Torr til 0,001 Torr. Dette vil sikre at hele gasstilførselssystemet, fra gassmanifolden til holderen, rengjøres og spyles med inert gass.
  5. Restgassanalysator - Under pumpe- og renseprosedyren slår du på RGA-systemet for å varme opp filamentet.

4. Klargjøring av vanndampleveringssystemet (VDS)

MERK: Disse instruksjonene er for spesifikke eksperimenter som involverer kontrollert levering av gass i dampform (f.eks. vanndamp). Gassleveringskontroll er gjennom gasskontrollprogramvaren som leveres av produsenten (Tabell over materialer).

  1. Fest rensegassen (f.eks. N2) til VDS, vri spaken til Eksos, og vri deretter til parkposisjonen.
  2. Tøm VDS (gjenta 4.1) ved å strømme inert gass tre ganger eller til det ikke er mer væske til stede.
  3. Vri spaken til parkposisjonen og fest VDS til manifolden.
  4. Vri spaken til fyllposisjon og fjern rensegassledningen.
  5. Sett damptrykket til 18,7 Torr i gasskontrollprogramvaren.
  6. I programvaren pumper du VDS for å støvsuge (0.1 Torr) ved å velge inngangslinjen og trykke på pumpeknappen.
  7. Fyll VDS med vann (2 ml) via en sprøyte og slange.
    MERK: Hvis det er behov for damp med høyere renhet, kan det være nødvendig med ytterligere rensetrinn.

5. Kjøre reaksjonen

  1. Kontroller at alle gasser som skal brukes i forsøkene (f.eks. N2, vanndamp og O2) er koblet til manifolden.
  2. Med programvaren for gasskontroll under Navngivningangir du navnet(e) for gassen(e) som kreves for reaksjonen, og lagrer den rå ".csv"-filen slik at en kjørende loggfil genereres for eksperimentet.
  3. Under E-brikkeoppsettvelger du den tilknyttede kalibreringsfilen (dvs. som beskrevet i 2.5) for E-brikken som brukes og Kjør kalibrering. Som tidligere nevnt i introduksjonsdelen, er hver E-chip temperaturkalibrert ved hjelp av infrarød stråling (IR) bildebehandling fra produsenten.
  4. Se Forberedelse av eksperimentelt oppsettunder Pumpe og rensing.
  5. Under Gasskontrollvelger du ønsket gassnavn og dens sammensetning (f.eks. velg prosent for hver gass) for eksperimentet.
  6. Under Temperaturvelger du ønsket oppvarmingshastighet og måltemperatur for temperaturen av interesse for eksperimentet og trykker på Start-knappen.
  7. Begynn å strømme gassen ved å trykke på Start-knappen under gasskontrolldelen.

6. Slutten av eksperimentet

  1. Når reaksjonen er fullført, må du slutte å strømme gassen, slå av temperaturknappen og avslutte økten ved hjelp av pumpe- og renseprosedyren (f.eks. avhengig av reaksjonen som ble utført, utfør pumpe- og renseprosedyren fra 100 Torr til 0,1 Torr 2-3 ganger).
  2. Før du fjerner in situ CCGR-TEM-holderen fra elektronmikroskopet, må du kontrollere at holdertrykket bringes tilbake til atmosfærisk trykk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prøver for MEMS-baserte gassreaksjoner med lukket celle:
Direkte pulveravsetning ved dråpestøping fra en kolloidal løsning og gjennom en maske
Avhengig av materialet som skal studeres, er det en rekke forskjellige måter å forberede E-brikker for in situ / operando CCGR-STEM-eksperimenter. Klargjøring av gasscellen for katalysestudier krever vanligvis spredning av katalysator nanopartikler på E-brikken enten fra en kolloidal væskeoppheng (Figur 2A), eller direkte fra selve det tørre pulveret (Figur 2B). For grovere pulver kan det være nødvendig å knuse partiklene (f.eks. ved hjelp av mørtel og pestle eller ved å plassere pulveret mellom glasssklier), slik at pulveraggregatene passer innenfor 5 μm-gapet mellom parrede mikrochips ("sandwich") størrelse uten å skade SixNy membranene. Ved bruk av en flytende suspensjon resulterer avsetningen av pulver i bredere spredning som dekker et større område av E-brikken, som ofte krever en sekundær rengjøring ("støving") trinn for å fjerne pulveret fra gullkontaktene. Mens en maske ved deponering av tørt pulver kan brukes til å deponere pulver direkte på ønsket sted (f.eks. det elektrongekt gjennomsiktige Synsområdet SixNy). I vår studie er maskene vi testet E-chips med fjernet SixNy membran og væskecelle avstandsstykke med fjernet SixNy-film. Siden sistnevnte har en smalere åpning (50 x 250 μm), kan en mer presis avsetning oppnås direkte på membranvarmerområdet til E-brikken, og ingen ekstra rengjøring av gullkontaktene er nødvendig.

Mønstermaske og legeringsavsetning
Avsetning av katalysatoren på E-brikken er relativt enkelt sammenlignet med bulklegeringer. Siden nano-størrelse partikler av tilfeldige legeringssammensetninger ikke er lett tilgjengelige og knusende legering mikrostørrelse pulver har også vært problematisk6, ble evalueringen av en mer potensiell ny metode adressert for å produsere legeringsprøver av kontrollert sammensetning og geometri på gasscelle E-chip membraner33.

Den grunnleggende ideen til de strukturelle legeringsprøvene er å deponere "øyer" (figur 2D) av ønsket strukturmateriale ved hjelp av en egnet dampavsetningsteknikk (f.eks. elektronstrålefordampning, ionsprut eller magnetron sputtering) der elementære arter deponeres direkte på E-chip-membranen (figur 3A) gjennom en mønstermaske som består av en rekke ~ 2 μm diameter (figur 3). Mønstermasken kan produseres av FIB-freseteknikker ved hjelp av en SixNy spacer E-chip. Alternativt er det enklere å bruke en kommersielt tilgjengelig 50 nm tykk SiN Microporous TEM-vindu, med en rekke 2 μm porer i en silisiumnitrittfilm i et rutenettmønster innenfor en enkelt 500 x 500 μm membran (Tabell over materialer)33 som mønstermaske (Figur 3B-b). Som vist er det mulig å feste et SiN Microporous TEM-vindu til en E-chip med fjernet SixNy-membran (Figur 3B-a) og plassere det direkte på E-brikken (Figur 3C) i en sikkert strammet E-chip-armatur (Figur 3D). Dette brukes til å skape en perfekt justering av enhetene og bidrar til å isolere de fordampede artene til et lite område på E-brikken (Figur 3C-c og 3C-d). Avhengig av den kjemiske sammensetningen av avsetningslegeringen / materialet, har hver fordampningsteknikk (elektronstrålefordampning, ionsprut eller elektron magnetron sputtering) sine egne fordeler og ulemper33, som ikke vil bli adressert her. Derfor har ideen til gassreaktorprøvepreparering av dampfaseavsetningen gjennom en mønstermaske på E-chip-overflaten potensial for videre utvikling og eksperimentering.

FIB fresing
E-chip forberedelse blir mer utfordrende når du undersøker faste materialer. Sammenlignbare studier av bulkstrukturelle materialer krever tilberedning av prøven som en tynn skive eller lamell av egnet prøvetykkelse og geometri (f.eks. elektron gjennomsiktig og noen få mikroner i lateral grad) som kan sikres på en eller annen måte til E-chipmembranen. Denne prosessen kan utføres ved hjelp av FIB-freseprosedyrer og plassere TEM lamellen på SixN y-visningsområdet i SiC-varmerensmembran (Figur 2C-c)9,30,36,37 med advarselen om at konvensjonell gallium FIB-fresing vanligvis etterlater gjenværende Ga, enten som Ga implantasjon og/eller Ga segregering i noen materialsystemer (f.eks. innenfor korngrenser og faser i Al og dens legeringer38) på den fresede overflaten, og dermed komplisere reaksjonsprosessen når dynamiske hendelser må undersøkes på atomnivå. Det er viktig å evaluere materialets følsomhet for Ga penetrasjon9. For å minimere ga implantasjon og overflateskader, kan vi bruke elektropolerte nåler, som ligner de som brukes til atomsondetomografi, som deretter kan plasseres på E-brikken (Figur 2C-d) ved hjelp av FIB ved å feste prøven med W eller Pt "tack" punkt31. EDS-analyse bekrefter at Ga-implantasjon kan reduseres/elimineres (Figur 2C-d); Begrensningen av denne metoden er imidlertid geometrien til prøven. Bare nålformede prøver kan tilberedes uten å utsette interesseområdet for Ga ioner. Som et alternativ kan nye Xe-plasma-FIBer brukes til å tilberede tynn lamell uten Ga-implantasjon. For eksempel kan elektron-gjennomsiktig lamell fra 3 mm elektropolerte plater ekstraheres og plasseres på E-brikken (Figur 2C-e) noe som resulterer i et stort område av prøven uten problemer forbundet med et gjenværende ionimplantasjonslag (Xe er inert og har ikke en tendens til å avsettes på prøveflater. Det produserer også et tynnere amorf lag (~ 1 nm) enn de beste FIB-prosedyrene med en Ga-kilde)34.

In situ reaksjon eksperimenter
For å fange dynamiske hendelser, er det først nødvendig å bake og pumpe ned systemet over natten. Under selve eksperimentet er holderen koblet til gassmanifoldsystemet og pumpes og renses flere ganger. Systemet pumpes først ned to ganger fra 100 Torr til 0,5 Torr og rensesmed en inert gass (f.eks. den tredje syklusen innebærer å pumpe ned til 0,001 Torr. De interne forholdene overvåkes av et RGA-system (Tabell over materialer), som er utstyrt med en elektronmultiplikator10. RGA er integrert i gasskontrollsystemet gjennom tilkobling til retursiden av CCGR-TEM-holderen (figur 4B). For å fjerne rester av vanndamp og andre gasser fra RGA-kammeret, brukes varmebånd som tillater bake-outs mellom eksperimenter. Et ultrahøyt vakuum i RGA på < 2x10-8 Torr kan oppnås. En elektronisk styrt lekkasjeventil (LV) brukes til å kontrollere mengden gass fra holderen og inn i RGA-kammeret, og en returkapillær linje til manifolden er isolert fra lekkasjeventilen med en håndventil (HV).

Et eksempel på de registrerte gassdeltrykkene målt i RGA-kammeret, CCGR-TEM-holderen (LV åpen), manifolden (H1 åpen) og tank 1 (T1 åpen) før in situ-eksperimenter vises i figur 4. Dette viser at selv om nattbaking, pumping ned og rensing ble utført, er det fortsatt en viss grad av gjenværende vanndamp. For eksperimenter spesielt med vanndamp er det derfor viktig å etablere grunnlinjen for de første forholdene i systemet og registrere de første delvise trykkene. For vårt system vist i figur 4, viser det delvise trykket av vanndamp målt helt til tank 1 leser 1,1 x 10-7 Torr. Atommassespekteret kontra delvis trykk viser vanndamptoppen ved 18 amu, og når 1,1 x 10-7 Torr (figur 3C). Sammenligning av spekteret med det fra forsøkene som inneholdt O2 og vanndamp, er det en betydelig økning i det delvise trykket (2,5 x 10-7 Torr) av toppen ved 18 amu. Vær oppmerksom på at ved å åpne lekkasjeventilen ytterligere, innføres mer gassstrøm i RGA-kammeret der målinger utføres. Det er viktig å justere lekkasjeventilen på en slik måte at det totale trykket i eksperimentet holdes konstant for å sammenligne resultater mellom forholdene. Gasssammensetningsmålinger er mulige når RGA-kammertrykket er i≤10-5 Torr-serien, som er mindre enn en milliard av en atmosfære på grunn av den høye reaktivitet av ioner og deres korte liv; Derfor er trykket i RGA mye lavere enn i gasscellen.

Vedlegget av vanndampleveringssystemet til manifolden krever rensing av VDS med inertgass til det ikke er væske til stede (det er også viktig å rengjøre VDS rett etter eksperimentet for å gjøre dette trinnet enklere) og holde det renset under tilkoblingen til manifolden. Før VDS fylles med ønsket væske (f.eks. vann, metanol eller etanol), pumpes VDS først ned for å støvsuge. Deretter tilsettes væsken ved hjelp av en sprøyte og rør. For å forbedre kvaliteten på dampen (med redusert oksygeninnhold) kan den eksperimentelle tilførselstanken fylles med dampen og pumpes ned to eller tre ganger; Ellers er den klar til bruk.

Programvaren for gasskontroll veileder brukeren gjennom innstillingene i alle faser av eksperimentet. I begynnelsen må de riktige gassene og trykkene velges. Motstanden til E-brikken må kontrolleres for å sikre at E-brikken ikke ble skadet under lasting i CCGR-TEM-holderen. I manifolden er det to forsyningstanker (Tank 1 og Tank 2) som holder og forsyner gass med en endelig sammensetning for reaksjonen. Ønsket gasssammensetning kan oppnås ved å blande mediet direkte i en av forsyningstankene (tank 1 eller tank 2 i figur 1D og 4B). Manifoldsystemet har tre porter som introduserer gasser til manifolden. Men hvis mer enn tre gasser ønskes blandet, må en eller flere av inngangslinjene deles. Alternativt, hvis gasssammensetningen er svært komplisert, bør pre-blandede gasser brukes, noe som gjør at de kan blandes under eksperimentet med ønsket dampsammensetning.

Etter å ha satt ønsket gasssammensetning for in situ-eksperimentet, vil gasskontrollprogramvaren først introdusere den lavere prosentandelen gass; deretter etter å ha nådd ønsket trykk, vil den mate den andre gassen inn i forsyningstanken. Deretter, avhengig av eksperimentet, kan gassen innføres i gasscellen ved enten romtemperatur eller etter oppvarming av prøven til ønsket temperatur ved en viss / ønsket oppvarmingshastighet. Dette avhenger av hver brukers eksperiment. Oppvarmingen kan forekomme i et vakuum, under inert gass eller under den forblandingsgassen som skal brukes i forsøkene. Når gassen må skiftes under forsøk, pumpes systemet ned og renses med inert gass for å unngå fare for blanding av to inkompatible gasser.

Generelt er det liten eller ingen drift i x- og y-retningene under forsøkene, men under oppvarming og / eller trykkendringer observeres betydelig variasjon i prøvehøyden (noe som utgjør en utfordring for å fange opp initieringen av en reaksjon). Hvis det er mulig, varme til ønsket temperatur under vakuum eller inert gass, juster alle justeringene og introduser deretter gassmediet. Eksperimenter under 200 °C er også utfordrende med den lukkede cellen på grunn av forurensningsoppbygging på overflaten av E-chip-visningsområdet.

Som et eksempel ble utviklingen av overflaten av Pt nanopartikler på en TiO2-støtte fanget når den ble utsatt for 100% vanndamp ved 17 Torr ved 300 °C (figur 5). De strukturelle endringene i Pt-partikkelen og omorganiseringen av strukturen for å eksponere {111} overflater (figur 6) ble observert (figur 6A vs. figur 6B vs. figur 6C).

Figure 1
Figur 1: E-brikke sammenkoblet enhet med CCGR-TEM-holder. (A) Par MEMS-baserte silisiummikrochipenheter (avstandsstykke og E-chip (varmeapparat)) for in situ CCGR-STEM-eksperimenter. (B) Skjematisk for CCGR-TEM-holderspissen med parede mikrobrikkeenheter som festes med en klemme. (C) Tverrsnitt av CCGR-TEM holderspissen som viser E-chip plassert på toppen av avstandsbrikken og skaper lukket celle (sandwich) som isolerer miljøet rundt prøven fra TEM-kolonnen. (D) Nærmere visning av manifold som omslutter tre gassinngangslinjer på siden, to eksperimentelle gassleveringstanker og en mottakstank for gassstrømkontroll under eksperimentet. (Bilder levert av CCGR-systemprodusenten). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Eksempel på ulike avsetningsteknikker for tilberedning av prøver på E-brikken. (A) E-chip med katalysator avsatt ved drop-casting fra en kolloidal løsning. (B) E-chip etter avsetning av tørt pulver ved hjelp av to forskjellige masker (a) E-spon med fjernet SixNy membran og (b) væskecelle E-chip med fjernet SixNy membran. (C) E-chip utarbeidet av (a) standard FIB-freseprosedyrer og plassering av FIB lamell på SixNy elektron gjennomsiktige visningsområder, (b) elektropolert nål, (c) elektron-gjennomsiktig del av et korn i en 3 mm elektropolert plate ekstrahert av Xe-plasma FIB og plassert på E-chip. (D) Høyere forstørrelsesbilde av E-chip med legering avsatt gjennom mønstermaske. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Klargjøring av e-chip ved hjelp av sputteringsteknikker. (A) Skjematisk for E-brikken. (B) Mønstermaske fremstilt av væskecelleT E-chip med SixNy-membran fjernet og 50 nm tykk SiN microporous TEM-vindu (B-a), med matriser på 2 μm porer i silisium ni tridefilm i et rutenettmønster i enkelt membranvindu på 500 x 500 μm 34 som overlapper åpningen på 50 x 250 mikron av mikrobrikken i væskecellen (B-b). (C) Mønstermaske direkte plassert på E-brikken (C-c) med høyere forstørrelsesbilde som viser justeringen av SixNy visningsområde med 50 x 250 μm åpning i væskecelle E-chip som er dekket med SiN Microporous TEM Window (3C-d og også 3B-b). (D) E-chip tverrsnitt i armaturen (D-e), top view (D-g), og (D-f) nærbilde av mønstermasken i E-chip-armaturen. E-chip-armaturen holder mønstermasken plassert på E-chip på sikker måte under avsetning av dampfase. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Måle gasssammensetninger ved hjelp av en restgassanalysator. (A) Eksempel på gassdelt trykk målt i RGA-kammer, CCGR-TEM-holder (LV åpen), manifold (H1 åpen) og Tank 1 (T1 åpen) før in situ eksperimenter. (B) Skjematisk for gasskontrollprogramvaren som viser steder for RGA-målinger før eksperimenter. (C) Massespektra generert i et vakuum før eksperimentet (rødt) med vanndamptopp på 18 amu som når 1,1 x10 -7 Torr og under eksperimentet (blå) med en blanding av O2 med vanndamp som viser en økning i det delvise trykket for OH, H2O og O2. RGA bekrefter tilstedeværelsen av vanndamp i in situ lukket celle. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Måling avvanndampinnhold. (A) Skjematisk for gasskontrollprogramvaren som viser et eksempel på 100 % vanndamp introdusert til tank 1 med testparametere registrert av gasskontrollsystemet ved romtemperatur før eksperimentet. (B) Gass delvis trykkspektra anskaffet ved hjelp av RGA før (rød) og under (blå) reaksjon med 100% vanndamp ved 17 Torr og 300 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Eksperimentelle resultater av vanndampeksponeringseffekter på Pt nanopartikkelstruktur. (A-C) BF-STEM-bilder som viser den rekonstruerte overflaten av en Pt nanopartikkel på TiO2-støtte når de utsettes for 100 % vanndamp ved 17 Torr og 300 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I det nåværende arbeidet demonstreres en tilnærming for å utføre in situ STEM-reaksjoner med og uten vanndamp. Det kritiske trinnet i protokollen er forberedelse av E-chip og opprettholdelse av integriteten under lasteprosedyren. Begrensningen av teknikken er (a) prøvestørrelsen og dens geometri for å passe til det nominelle 5-μm gapet mellom parrede (MEMS) baserte silisiummikrochipenheter samt (b) et totalt trykk som brukes i forsøkene med vanndamp siden det høyeste totale trykket avhenger av mengden vanndamp6. Betydningen av denne metoden med hensyn til eksisterende metoder er at vi kan utføre operandoeksperimenter, det vil si at vi analyserer prøvene under reelle forhold, aktivert av et RGA-system som bekrefter / overvåker eksperimentelle forhold. I tillegg er det muligheter for fremtidig bruk av teknikken til forskjellige materialsystemer som kan kreve forskjellige metoder og prosedyrer for prøveavsetning på E-chip-varmeovner.

E-chip-preparatet er vist i figur 2, som fremhever fire forskjellige prøveprepareringsmetoder; (1) direkte pulveravsetning ved dråpestøpning fra kolloidal oppløsning, (2) direkte pulveravsetning gjennom maske, (3) direkte EBID/IBID eller magnetron sputtering med mønstrede masker og (4) FIB fresing. Pulveravsetning bør bare inneholde pulver med partikler eller aggregater som er mindre enn 5 μm tykke for å passe innenfor det nominelle 5 μm-gapet mellom parrede mikrochips for å forhindre skade på SixNy-visningsvinduene 2,6. Forskere som utfører avsetning gjennom fordampningsmetoder, bør justere parametrene i henhold til elementær sammensetning, temperatur og fuktighet og bør minimere oksygennivået. Prøvepreparering ved bruk av FIB fresing krever at brukerne er ekstremt forsiktige med å forhindre skade på SixNy-membranen. Ga implantasjon kan også endre legeringskjemi og påvirke overflatediffusjon. Uansett hvilken E-chip-prøvemetode som er valgt, etter prøveavsetning, må undersøkelse av E-brikken ved hjelp av lett optisk mikroskopi og motstandsmålinger verifisere E-chip-integriteten før du starter in situ-forsøkene.

Denne protokollen for in situ CCGR-STEM-studier muliggjør nye muligheter til å visualisere nanoskala gassreaksjoner mens de oppstår og under realistiske forhold (temperatur, trykk og gasssammensetning). Nå er det mulig å avsløre dynamiske endringer i overflateatomer og grensesnitt og forstå hvordan overflatesammensetningen og strukturen kan styres med ekstern måte7. De strukturelle endringene i Pt-partikkelen og omorganiseringen av strukturen for å eksponere {111} overflater (figur 6) var for eksempel knyttet til mindre figurendringer (Figur 6A vs. Figur 6B vs. Figur 6C). Katalytisk ytelse bestemmes av interfaciale reaksjoner som oppstår ved stedsspesifikke katalysatorgrensesnitt, og in situ-mikroskopi bidro til å avdekke gassoverflatefenomener under vanndamp i Pt /TiO2 katalyseforskning. Videre bidrar den eksperimentelle protokollen som presenteres her også til en forbedret forståelse av in situ gassreaksjonsprosessen ved å overvåke gasssammensetningen ved hjelp av en RGA. Dette er viktig på grunn av behovet for å korrelere rollen som gasssammensetning med strukturelle og kjemiske endringer som materialet som studeres gjennomgår som en direkte effekt av miljøeksponering.

Oppsummert kan in situ CCGR-STEM-studier muliggjøre undersøkelse av deaktivering eller regenerering av katalysatormaterialer via avbildning og spektroskopi, og undersøkelse av kjemiske og morfologiske endringer under gassreaksjoner på bulklegeringsmaterialer. Slike studier tillater også identifisering av minimumstemperaturen for initiering av for eksempel regenereringsreaksjonen og / eller maksimal temperatur for reaksjonen, samt arten av grovhet av støttede metallpartikler hvorfra kinetisk informasjon kan ekstraheres. Disse studiene gir en direkte kobling til aktuelle beregningsmodeller som forutsier reaksjonens vei, men ikke tid når det vil skje, noe som er viktig for materialoptimalisering. Potensialet i denne miljølukkede gassreaksjonsprotokollen kan utvides til en rekke forskjellige materialer i forbindelse med kvantitative spektroskopiteknikker som elektronenergitapsspektroskopi39 og energidispergerende røntgenspektroskopi5,6 for å identifisere kjemiske sammensetninger og / eller oksidasjonstilstandsendringer. Videre er dette bare begynnelsen på en ny evne som skaper en avansert mulighet for materialkarakterisering under en rekke realistiske forhold.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Dette manuskriptet er skrevet av UT-Battelle, LLC under Contract No. DE-AC05-00OR22725 med det amerikanske energidepartementet. Den amerikanske regjeringen beholder og utgiveren, ved å godta artikkelen for publisering, erkjenner at den amerikanske regjeringen beholder en ikke-eksklusiv, betalt, ugjenkallelig, verdensomspennende lisens til å publisere eller reprodusere den publiserte formen for dette manuskriptet, eller la andre gjøre det, for amerikanske regjeringsformål. Institutt for energi vil gi offentlig tilgang til disse resultatene av føderalt sponset forskning i samsvar med DOE Public Access Plan (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).

Acknowledgments

Denne forskningen ble først og fremst sponset av Laboratory Directed Research and Development Program of Oak Ridge National Laboratory (ORNL), administrert av UT-Battelle LLC, for U.S. Department of Energy (DOE). En del av utviklingen for å introdusere vanndamp i in situ-gasscellen ble sponset av U.S. DOE, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bio-Energy Technologies Office, under kontrakt DE-AC05-00OR22725 (ORNL) med UT-Battle, LLC, og i samarbeid med Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) Consortium, et medlem av Energy Materials Network (EMN). Dette arbeidet ble delvis forfattet av National Renewable Energy Laboratory, drevet av Alliance for Sustainable Energy, LLC, for U.S. DOE under Contract No. DE-AC36-08GO28308. En del av mikroskopien ble utført ved Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), som er et DOE Office of Science User Facility. Tidlig utvikling av in situ STEM-funksjoner ble sponset av Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, U.S. DOE.  Vi takker Dr. John Damiano, Protochips Inc., for nyttige tekniske diskusjoner. Forfatterne takker Rosemary Walker og Kase Clapp, ORNL produksjonsteam, for støtte til filmproduksjon. Synspunktene uttrykt i denne artikkelen representerer ikke nødvendigvis synspunktene til DOE eller den amerikanske regjeringen. Den amerikanske regjeringen beholder og utgiveren, ved å godta artikkelen for publisering, erkjenner at den amerikanske regjeringen beholder en ikke-eksklusiv, betalt, ugjenkallelig, verdensomspennende lisens til å publisere eller reprodusere den publiserte formen for dette arbeidet, eller la andre gjøre det, for amerikanske regjeringsformål.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Atmosphere Clarity Software Protochips 6.5.14
Atmosphere Large Heating E-chips, 300 x 300 window, no spacer Protochips EAT-33AA-10 microchip device
Atmosphere Small E-chips, 300 x 300 micron window, 5 micron SU-8 spacer Protochips EAB-33W-10 microchip device
JEOL 2200FS JEOL microscope
M-bond 610 Electron Microscopy Sciences 50410-30 cyanoacrylate (CA) glue
Mikron M9103 IR camera Micron This is used by Protochips/ not available
Protochips “Fusion” E-chips Protochips spacer chip with removed SixNy membrane
Protochips Atmosphere 200 Protochips prototype software
Residual Gas Analyzer R100 (RGA) Stanford Research Systems R100 SRS

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Allard, L. F., et al. Novel MEMS-based gas-cell/heating specimen holder provides advanced imaging capabilities for in situ reaction studies. Microscopy and Microanalysis. 18 (4), 656-666 (2012).
  3. Allard, L. F., et al. Innovative closed-cell reactor permits in situ heating and gas reactions with atomic resolution at atmospheric pressure. Microscopy and Microanalysis. 18 (2), 1118-1119 (2012).
  4. Allard, L. F., et al. Controlled in situ gas reaction studies of catalysts at high temperature and pressure with atomic resolution. Microscopy and Microanalysis. 20 (3), 1572-1573 (2014).
  5. Allard, L. F., et al. computer-controlled in situ gas reactions via a mems-based closed-cell system. Microscopy and Microanalysis. 21 (3), 97-98 (2015).
  6. Unocic, K. A., Shin, D., Unocic, R. R., Allard, L. F. NiAl oxidation reaction processes studied in situ using MEMS-based closed-cell gas reaction transmission electron microscopy. Oxidation of Metals. 88 (3-4), 495-508 (2017).
  7. Dai, S., et al. Revealing surface elemental composition and dynamic processes involved in facet-dependent oxidation of Pt3Co nanoparticles via in situ transmission electron microscopy. Nano Letters. 17 (8), 4683-4688 (2017).
  8. Dai, S., Zhang, S., Katz, M. B., Graham, G. W., Pan, X. In Situ observation of Rh-CaTiO3 catalysts during reduction and oxidation treatments by transmission electron microscopy. ACS Catalysis. 7 (3), 1579-1582 (2017).
  9. Burke, M. G., Bertali, G., Prestat, E., Scenini, F., Haigh, S. J. The application of in situ analytical transmission electron microscopy to the study of preferential intergranular oxidation in Alloy 600. Ultramicroscopy. 176, 46 (2017).
  10. Unocic, K. A., et al. Introducing and controlling water vapor in closed-cell in situ electron microscopy gas reactions. Microscopy and Microanalysis. 26 (2), 229-239 (2020).
  11. Vendelbo, S. B., et al. Visualization of oscillatory behaviour of Pt nanoparticles catalysing CO oxidation. Nature Materials. 13 (9), 884-890 (2014).
  12. Moliner, M., et al. Reversible transformation of Pt nanoparticles into single atoms inside high-silica chabazite zeolite. Journal of the American Chemical Society. 138 (48), 15743-15750 (2016).
  13. Dagle, V., et al. Single-step conversion of ethanol to n-butenes over Ag-ZrO2/SiO2 catalysts. ACS Catalyst. 10 (18), 10602-10613 (2020).
  14. Chi, M., et al. Surface faceting and elemental diffusion behaviour at atomic scale for alloy nanoparticles during in situ annealing. Nature Communications. 6 (1), 1-9 (2015).
  15. Zhao, X., et al. Single-iron site catalysts with self-assembled dual-size architecture and hierarchical porosity for proton-exchange membrane fuel cells. Applied Catalysis B: Environmental. 279, 119400 (2020).
  16. Baddour, F. G., et al. An Exceptionally mild and scalable solution-phase synthesis of molybdenum carbide nanoparticles for thermocatalytic CO2 hydrogenation. Journal of the American Chemical Society. 142 (2), 1010-1019 (2019).
  17. Yan, P., et al. Methanol oxidative dehydrogenation and dehydration on carbon nanotubes: active sites and basic reaction kinetics. Sustainable Energy Fuels. 10, 4952-4959 (2020).
  18. Unocic, R. R., Jungjohann, K., Mehdi, B. L., Browning, N. D., Wang, C. In situ electrochemical scanning/transmission electron microscopy of electrode-electrolyte interfaces. MRS Bulletin. 45, 1-8 (2020).
  19. LaGrow, A. P., Lloyd, D. C., Gai, P. L., Boyes, E. D. In situ scanning transmission electron microscopy of Ni nanoparticle redispersion via the reduction of hollow NiO. Chemistry of Materials. 30 (1), 197-203 (2017).
  20. Liu, L., Zakharov, D. N., Arenal, R., Concepcion, P., Stach, E. A., Corma, A. Evolution and stabilization of subnanometric metal species in confined space by in situ TEM. Nature Communications. 9 (1), 574 (2018).
  21. Wu, Y. A., et al. Visualizing redox dynamics of a single Ag/AgCl heterogeneous nanocatalyst at atomic resolution. ACS Nano. 10 (3), 3738-3746 (2016).
  22. Li, Y., et al. Complex structural dynamics of nanocatalysts revealed in operando conditions by correlated imaging and spectroscopy probes. Nature Communications. 6 (1), 7583 (2015).
  23. Hansen, P. L., et al. Atom-resolved imaging of dynamic shape changes in supported copper nanocrystals. Science. 295 (5562), 2053-2055 (2002).
  24. Creemer, J. F., et al. Atomic-scale electron microscopy at ambient pressure. Progress in Materials Science. 108, 993-998 (2008).
  25. Was, G. S., Petti, D., Ukai, S., Zinkle, S. Materials for future nuclear energy systems. Journal of Nuclear Materials. 527, 151837 (2019).
  26. Unocic, K. A., Yamamoto, Y., Pint, B. A. Effect of Al and Cr content on air and steam oxidation of FeCrAl alloys and commercial APMT alloy. Oxidation of Metals. 87 (3-4), 431-441 (2017).
  27. Zinkle, S. J., et al. Fusion materials science and technology research opportunities now and during the ITER era. Fusion Engineering and Design. 89 (7-8), 1579-1585 (2014).
  28. Quadakkers, W. J., Olszewski, T., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L. Oxidation of metallic materials in simulated CO2/H2O-rich service environments relevant to an oxyfuel plant. Materials Science Forum. 696, 194-199 (2011).
  29. Gleeson, B. Thermal barrier coatings for aeroengine applications. Journal of Propulsion and Power. 22 (2), 375-383 (2006).
  30. Unocic, K. A., Allard, L. F., Coffey, D. W., More, K. L., Unocic, R. R. Novel method for precision controlled heating of TEM thin sections to study reaction processes. Microscopy and Microanalysis. 20, 1628-1629 (2014).
  31. Idrobo, J. C., et al. Temperature measurement by a nanoscale electron probe using energy gain and loss spectroscopy. Physical Review Letters. 120 (9), 095901 (2018).
  32. Unocic, K. A., Datye, A. K., Bigelow, W. C., Allard, L. F. Water vapor in closed-cell in situ gas reactions: Initial experiments. Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 940-941 (2017).
  33. Allard, L. F., Meyer, H. M., Hensley, D. K., Bigelow, W. C., Unocic, K. A. Model "alloy" specimens for MEMS-based closed-cell gas-reactions. Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 908-909 (2017).
  34. Allard, L. F., et al. The utility of Xe-plasma FIB for preparing aluminum alloy specimens for MEMS-based in situ double-tilt heating experiments. Microscopy and Microanalysis. 25 (2), 1442-1443 (2019).
  35. Schilling, S., Janssen, A., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. Practical aspects of electrochemical corrosion measurements during in situ analytical transmission electron microscopy (TEM) of austenitic stainless steel in aqueous media. Microscopy and Microanalysis. 23 (4), 741-750 (2017).
  36. Zhong, X. L., Schilling, S., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. Sample preparation methodologies for in situ liquid and gaseous cell analytical transmission electron microscopy of electropolished specimens. Microscopy and Microanalysis. 22 (6), 1350-1359 (2016).
  37. Duchamp, M., Xu, Q., Dunin-Borkowski, R. E. Convenient preparation of high-quality specimens for annealing experiments in the transmission electron microscope. Microscopy and Microanalysis. 20 (6), 1638-1645 (2014).
  38. Unocic, K. A., Mills, M. J., Daehn, G. S. Effect of gallium focused ion beam milling on preparation of aluminum thin foils. Journal of Microscopy. 240 (3), 227-238 (2010).
  39. Unocic, R. R., et al. Probing battery chemistry with liquid cell electron energy loss spectroscopy. Chemical Communications. 51 (91), 16377-16380 (2015).

Tags

Engineering Utgave 173 in situ reaksjon skanning overføring elektron mikroskopi lukket celle gass reaksjon CCGR gassstrøm vanndamp restgass analysator masse spektra strukturelle materialer katalyse Pt / TiO2
Utføre <em>in situ</em> lukket celle gassreaksjoner i transmisjonselektronmikroskopet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Unocic, K. A., Hensley, D. K.,… More

Unocic, K. A., Hensley, D. K., Walden, F. S., Bigelow, W. C., Griffin, M. B., Habas, S. E., Unocic, R. R., Allard, L. F. Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope. J. Vis. Exp. (173), e62174, doi:10.3791/62174 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter