Aquí, presentamos un protocolo para realizar experimentos in situ de reacción de gas de célula cerrada TEM mientras se detallan varios métodos de preparación de muestras de uso común.
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Artículo de método
Realización De Reacciones In Situ De Gases De Células Cerradas En El Microscopio Electrónico De Transmisión
En este artículo
Resumen
Resumen
Las reacciones de gas estudiadas por microscopía electrónica in situ se pueden utilizar para capturar las transformaciones morfológicas y microquímicas en tiempo real de los materiales a escalas de longitud hasta el nivel atómico. Los estudios in situ de reacción de gas de células cerradas (CCGR) realizados utilizando microscopía electrónica de transmisión (STEM) (de barrido) pueden separar e identificar reacciones dinámicas localizadas, que son extremadamente difíciles de capturar utilizando otras técnicas de caracterización. Para estos experimentos, utilizamos un soporte CCGR que utiliza microchips de calefacción basados en sistemas microelectromecánicos (MEMS) (en lo sucesivo denominados "E-chips"). El protocolo experimental descrito aquí detalla el método para realizar reacciones de gas in situ en gases secos y húmedos en un STEM corregido por aberración. Este método encuentra relevancia en muchos sistemas de materiales diferentes, como la catálisis y la oxidación a alta temperatura de materiales estructurales a presión atmosférica y en presencia de varios gases con o sin vapor de agua. Aquí, se describen varios métodos de preparación de muestras para varios factores de forma de materiales. Durante la reacción, los espectros de masas obtenidos con un sistema de analizador de gases residuales (RGA) con y sin vapor de agua validan aún más las condiciones de exposición al gas durante las reacciones. La integración de un RGA con un sistema CCGR-STEM in situ puede, por lo tanto, proporcionar información crítica para correlacionar la composición de gases con la evolución dinámica de la superficie de los materiales durante las reacciones. Losestudios insitu/operando que utilizan este enfoque permiten una investigación detallada de los mecanismos fundamentales de reacción y cinética que se producen en condiciones ambientales específicas (tiempo, temperatura, gas, presión), en tiempo real, y a alta resolución espacial.
Introducción
Es necesario obtener información detallada sobre cómo un material sufre cambios estructurales y químicos bajo exposición reactiva a gases y a temperaturas elevadas. La microscopía electrónica de transmisión (STEM) de reacción de gas de celda cerrada in situ (CCGR) se desarrolló específicamente para estudiar los cambios dinámicos que ocurren en una amplia gama de sistemas de materiales (por ejemplo, catalizadores, materiales estructurales, nanotubos de carbono, etc.) cuando se someten a temperaturas elevadas, diferentes ambientes gaseosos y presiones desde el vacío hasta la presión atmosférica completa1,2,
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Protocolo
1. Preparación del chip electrónico
- Deposición directa de polvo por fundición en gota de una solución coloidal (Figura 2A).
- Aplaste el polvo si los agregados de partículas de polvo son demasiado grandes. Haga esto usando un pequeño mortero y pestle (los agregados triturados deben ser de <5 μm de tamaño). Mezcle una pequeña cantidad (por ejemplo, ~ 0.005 mg, cantidad determinada por la experiencia) de polvo en 2 mL del disolvente (por ejemplo, isopropanol o etanol).
- Sonicar la mezcla durante alrededor de 5 minutos para crear una suspensión coloidal.
- Coloque el E-chip en el accesorio de retención del ....
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Resultados
Especímenes para reacciones de gases de células cerradas basadas en MEMS:
Deposición directa de polvo por fundición en gota desde una solución coloidal y a través de una máscara
Dependiendo del material a estudiar, existen varias formas diferentes de preparar E-chips para experimentos CCGR-STEM in situ/operando. La preparación de la célula de gas para los estudios de catálisis normalmente requiere la dispersión de las nanopartículas del catalizador en el chip E, ya sea de.......
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Discusión
En el presente trabajo, se demuestra un enfoque para realizar reacciones STEM in situ con y sin vapor de agua. El paso crítico dentro del protocolo es la preparación del chip E y el mantenimiento de su integridad durante el procedimiento de carga. La limitación de la técnica es (a) el tamaño de la muestra y su geometría para ajustarse a la brecha nominal de 5 μm entre los dispositivos de microchip de silicio emparejados (MEMS) basados en (b), así como (b) una presión total utilizada en los experimentos con vapor.......
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Divulgaciones
Los autores declaran que no hay conflictos de intereses.
Este manuscrito ha sido escrito por UT-Battelle, LLC bajo el Contrato No. DE-AC05-00OR22725 con el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El Gobierno de los Estados Unidos retiene y el editor, al aceptar el artículo para su publicación, reconoce que el Gobierno de los Estados Unidos conserva una licencia mundial no exclusiva, pagada, irrevocable y para publicar o reproducir la forma publicada de este manuscrito, o permitir que otros lo hagan, para fines del Gobierno de los Estados Unidos. El Departamento de Energía proporcionará acceso público a estos resultados de la investigación patrocinada por el gobierno federal de acuerdo con el Plan de Acceso Público del DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).
Agradecimientos
Esta investigación fue patrocinada principalmente por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), administrado por UT-Battelle LLC, para el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Parte del desarrollo para introducir vapor de agua en la celda de gas in situ fue patrocinado por el DOE de los Estados Unidos, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, la Oficina de Tecnologías de Bioenergía, bajo el contrato DE-AC05-00OR22725 (ORNL) con UT-Battle, LLC, y en colaboración con el Consorcio de Catálisis Química para bioenergía (ChemCatBio), miembro de la Red de Materiales En....
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Atmósfera Claridad Software | Protochips | 6.5.14 | |
| Atmósfera Gran calefacción E-chips, ventana de 300 x 300, sin espaciador | Dispositivo | microchip | Protochips EAT-33AA-10 |
| Atmósfera Pequeños E-chips, ventana de 300 x 300 micras, espaciador SU-8 de 5 micras | Protochips | Dispositivo de microchip EAB-33W-10 | Microscopio |
| M-bond 610 | Electrónica Microscopy Sciences | 50410-30 | cianoacrilato (CA) pegamento |
| Mikron M9103 Cámara IR | Micron | Esto es utilizado por Protochips/ no disponible | |
| Protochips " Fusión" E-chips | Protochips | Chip espaciador con membrana de SixNy | |
| Protochips Atmosphere 200 | Protochips | prototipo de software | |
| Analizador de gases residuales R100 (RGA) | Stanford Research Systems | R100 SRS |
Referencias
- 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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Reimpresiones y permisos
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