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原位透射电镜的应用

  原位透射电镜得到巨大的发展,为材料科学家、化学家提供了一种原子尺度下,原位观察材料化学反应和转变的新方法。随着原位透射电镜的发展,科学家也可利用其进一步理解纳米材料化学反应的机理。

原位透射电镜的作用

  对比其他原位表征手段,原位透射电镜具有高的分辨率,可与其他技术联用等优势,引起研究者们的广泛关注。原位透射电镜在材料合成,化学催化,生命科学和能源材料领域有着重要的应用,可以通过在原子尺度下实时观察和控制气相反应和液相反应的进行,从而研究反应的本质机理。

透射电镜.jpg

  气相和液相化学反应在材料科学和工程中涉及到各种领域的研究,如材料传感器、能源的存储与转化、化学催化等。环境透射电镜(ETEM)因其超高的空间分辨率为原位观察气相、液相化学反应提供了一种重要的方法。研究者们利用原位透射电镜(in situ TEM)进一步理解化学反应的机理和纳米材料的转变过程,以期望从化学反应的本质理解、调控和设计材料的合成。通过外部引入光、电、热信号,从而实现原位观察气相、液相反应的材料行为和反应机理。通过与其他技术的联用,如光谱、气相色谱、GX液相色谱等,实现化学反应动态、定量定性的原位观测。目前,原位电子显微技术已在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学领域发挥着重要作用。

原位透射电镜在气相反应的应用

  气相反应因其在多领域的应用引起人们的广泛关注。很多化学反应是在催化剂辅助下,气相条件下发生的。对于纳米材料和生物分子,原位透射电镜观察可以得到更多重要的信息。因此,原子尺度下原位研究气相反应,特别是气固界面的反应,可以帮助研究者们进一步理解材料的合成,性能及用途。

  1、原位观察气固液生长纳米线

  在气固液反应过程中,气相扩散提供前体物质,形成液体共熔体,再生长成纳米晶种,Z后生长成纳米线。而金属氧化物的纳米线生长机理有别于此。CuO纳米线的生长通过末端层层生长形成。

  2、奥斯瓦尔德熟化

  颗粒基纳米材料具有很高的活性,随着反应的进行,由于烧结熟化过程中表面活性能的巨大损失,颗粒逐渐消失。其就表现出大的颗粒越来越大,小的颗粒越来越小,Z后消失的现象。

  3、气相CO氧化

  金属及其氧化物被广泛用于CO的催化氧化反应。在氧化过程中,在纳米颗粒表面主要发生如下现象:由于氧气扩散进入材料中,在次外层形成氧化层;由于催化剂优先吸附CO分子,热力学驱动纳米材料表面重组。催化剂表面的反应气体会改变催化剂表面对气体的吸附,进一步改变其表面能,从而使纳米颗粒发生表面重组。

  4、光催化降解水

  研究者们通过透镜或光纤在原位透射电镜中引入光学信号,从而实现原位观察纳米材料在光催化过程中的变化。TiO2光催化降解水的过程中,暴露在外面的晶面会从有序状态逐渐变为无序的。通过XPS的分析,在TiO2无定形表面层监测到Ti3+组分,表明TiO2光催化降解水的过程中,涉及到TiO2的氧化还原过程。

原位透射电镜在液相反应的应用

  原位透射电镜可以在纳米尺度下观察液体中的化学反应,得到了巨大发展。原位透射电镜已经在材料合成、生命科学和能源材料领域得到了运用。

  1、高能电子束对液相原位透射电镜的影响

  原位透射电镜在观察液相反应时,高能电子束的散射作用比气相反应中更明显,研究者们为减少其散射,提高分辨率做了大量工作。此外,电子束穿过液体池时,还有可能也液相分子相互作用,产生各种各样的副产物。以水为例,其可能产生H2、H2O2、H3O+和 HO2-,从而发生人们所不想要的化学反应。

透射电镜.jpg

  2、原位透射电镜在材料合成领域的应用

  研究者们利用原位透射电镜观察到了多种纳米材料形成的过程:①在纳米材料的生长成核过程中,有直接从晶核生长形成的,也有先形成晶簇,通过晶簇间的相互作用形成的;②纳米粒子相互连接,进一步形成纳米材料;③形成纳米线或纳米棒时,发生的是定向联结的过程;④形成纳米核壳结构时,可能发生的是层层生长,孤立生长或者层与特定层间的相互作用;⑤形成纳米立方体时,会发生比较明显的晶面选择性生长;⑥纳米材料与特定离子的作用会发生选择性刻蚀。

  3、原位透射电镜在生命科学领域的应用

  研究者们通过重金属纳米颗粒标记生物样品,如蛋白、细胞等,利用原位透射电镜观察其在液体中的行为,而且也可以用半导体纳米粒子代替重金属颗粒,如量子点。通过类似的方法,研究者还原位观察到液体相中蛋白质为模版生成氧化铁的成核过程。

  4、原位透射电镜在能源材料领域的应用

  在发展储能材料中,观察化学反应的细节对于优化和设计材料的合成是至关重要的。研究者们可以利用原位透射电镜观察锂离子电池的稳定性,在通电过程中,观察到了电极材料的局部缺陷。对于燃料电池,研究者们利用原位透射电镜观察燃料电池运行过程中,催化剂的变化过程,提出了三类的降解机理:①碳腐蚀;②团聚;③铂的溶解与再生长。


2005-03-19 浏览次数:5852次
本文来源:https://www.yiqi.com/daogou/detail_2795.html
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