原位TEM气氛和加热

在纳米尺度上观测化学反应

Climate原位TEM气氛和加热控制系统实现催化, 纳米材料的生长和腐蚀研究等领域气体-固体相互作用和样品实时动态原子分辨率的成像。 该纳米反应器是基于MEMS技术的 “芯片实验室”, 能实现 1 bar 压力和高温环境的原位 TEM表征。气候系统将真空(S)TEM从静态成像工具转换为动态的原位化学实验室, 实现实时动态观察和分析材料!

分辨率可达

1个大气压

压力可达

1,000°C

加热可达

保护气候人人有责

我们期待科学家找到答案!

随着全球变暖继续向超过工业化前水平2°C的危险境地上升, 科学界当务之急是弥合生产与可持续性之间的差距。人们普遍认为, 需要纳米技术来帮助解决当今人类社会面临的挑战, 包括能源危机和环境保护。2015年的《巴黎协定》表明, 我们可以作为一个全球社群就保护气候行动达成共识。科学界需要将这一协议变为现实, 并通过对纳米世界的理解找到这些全球性挑战的解决办法。Climate系统使纳米世界实现了在现实世界1 bar 压力和加热气氛环境中进行研究,有助于科学家的探索。
 

Climate应用领域

催化剂

纳米尺度催化研究的挑战集中在研究人员如何能够在 tem 中实现同样的反应条件。现在, 利用Climate系统, 催化剂可以通过TEM在高压和高温下进行研究, 匹配现实世界化学反应的环境条件。

纳米材料的生长

最近的纳米材料生长研究为改进器件的微制造提供了许多至关重要的可能。纳米反应器能创造对纳米材料生长至关重要的气固环境, 并实现原位透射电镜内的实时动态成像。

腐蚀

在纳米尺度上复制真实世界的腐蚀环境帮助我们深刻认识微观结构-腐蚀关系和随后的控制机制。原位TEM和Climate结合首次实现在电子显微镜中引入腐蚀研究。
 

6合1的解决方案

Climate 系统实现了催化剂TEM表征的整合。以前只可能单独使用的一些技术, 如今Climate与TEM无缝整合打造了以下6个独立技术的一站式平台。

 

催化剂活动的动态实时成像

实验: 镍金属在500 mBar 的气压下通入氦气氢气和氧气并加热到730 °C。
这条视频来自采用了Climate系统的原位透射电镜视频, 过程中的异相催化剂, 镍氧化物在730° c高温下流动的氦 + 氢 + 氧引入纳米反应器前开始减少。这段视频清楚地显示了催化剂颗粒在某些区域十分活跃2而其它区域则不太活越。这说明了催化剂颗粒只是一部分真正有助于反应, 因而我们可以通过了解和提高催化剂每个颗粒的的活跃水平来提升整体的效率。非常有趣的是, 在这个视频的右上方, 有一个颗粒显示了非常与众不同的金属催化剂的形貌动态变化, 并对催化反应机制和效率的提供了新的视角。单击下一个按钮观看该颗粒高分辨率的形状动态变化。
 

 

采用TEM原位透射显微学探究金属催化剂的反应动态

实验: 镍金属在500 mBar 的气压下通入氦气氢气和氧气并加热到730 °C。这条原位视频清楚展示了在三个阶段的催化反应过程中镍催化剂颗粒的结构动态变化 :(1) 活化, (2) 在反应条件下的工作状态和 (3) 从工作状态恢复到其初始状态。剧烈的形貌变化表明, 周期变化不仅限于表面结构, 并且发生在整个颗粒上。虽然支持这种金属催化剂动态变化的理论模型有待探索,但此实验证明了使用原位 透射电镜技术的催化剂研究可以揭示意想不到的和令人兴奋的科学现象。
实验数据来自于: Dr. Marc Willinger & Dr. Ramzi Farra, Fritz-Haber-Institute fur der Max-Planck-Gesellschaft, 德国.

 

 

单颗粒电子衍射

实验: 镍金属在500 mBar 的气压下通入氦气氢气和氧气并加热到730 °C。对催化剂机制的研究和了解需要对晶体结构的演化进行观察。通常情况下, 基于同步辐射光源的原位 x 射线衍射是用来获取这些信息的, 然而, 获得的数据却是在大量的粒子上对信息进行的平均。原位透射电镜选择区域电子衍射 (SAED) 可以密切研究单个粒子的动态晶体演化, 并能在任何型号的透射电镜上进行。
数据来源: Dr. Marc Willinger & Dr. Ramzi Farra, Fritz-Haber-Institute fur der 德国Max-Planck研究所
 

 

原子尺度上的表面动态

实验: 铜颗粒在500 mBar 气压下和 350 °C高温时对H2:N2:O反应的作用。 本片现场记录了铜纳米粒子在反应中原子分辨率下结构的动态变化。这些图像表明, 铜颗粒某些表面明显的震荡起伏而其他表面则不太活越。通过这些信息, 可以优化催化剂的设计和合成, 达到更高的反应生产率。
数据来源: Dr. Marc Willinger & Dr. Ramzi Farra, Fritz-Haber-Institute fur der 德国Max-Planck研究所和徐强博士,荷兰DENSsolutions,
 

 

使用EELS能谱绘制化学键变化曲线

实验: 铜颗粒在500 mBar 气压下和 350 °C高温时对H2:N2:O反应的作用。获取催化剂在实际工作环境中的化学键合演化具有很大的挑战性。通常, 使用原位XPS在少数地点结合同步辐射光源有可能获得粒子的平均键合状态。任何一台 FEG TEM都可以用原位TEM-EELS进行等效研究, 甚至可以监测单个颗粒的化学状态。 HRTEM 图像 (左下方) 是氧化铜在1 bar 压力下通入氢气和4倍氮气后开始转化为铜在300° c时拍摄的,分辨率优于 1 Å (参见FFT-右下方)  。此外实验还以50° c 的增量进行了EELS的测量, 表明对金属铜的还原开始于250° c

数据来源:徐强博士,荷兰DENSsolutions,
 

氧化铜颗粒动态的量热学分析

实验:氧化铜在110 mBa和500 °C高温下和甲醇的反应。

使用Climate纳米反应器的4探针微加热器, 可以精确测量样品在吸热和放热反应中吸收或释放的热量。一个催化过程通常包含几步产生或消耗热量的反应。采用恒温模式, 可以对微加热器的输入功率微小的变化进行测量以测量纳米反应器内的热交换。在下面所示的氧化还原实验中观察到了这种放热行为, 即用原位TEM观察铜和二氧化铜之间的连续相互转化。在13:02到15:33 时间段内温度设置在500° c 显示了反应条件稳定。如15:33 之前的数据所示, 温度在其平均值附近振荡, 但能耗稳定。然而, 就在15:40 之前 (如下所示) 没有观察到温度的振荡, 纳米反应器的能耗突然降低。此后, 功率信号呈不规则波动, 随时间推移呈递减趋势。虽然这一现象还没有完全被理解, 但很明显, 有放热反应发生, 没有迹象表明改变相关的影响加热丝功率消耗的其他参数。

Experiment data from Dr. Marc Willinger & Dr. Ramzi Farra, Fritz-Haber-Institute fur der Max-Planck-Gesellschaft, Germany.

 

 

简便的样品制作

直接将样品置于纳米芯片上

将样品加载到称为纳米反应器基于MEMS的样品台上, 操作简单快捷。催化剂纳米粒子通常是粉末形式, 可溶解在乙醇溶液中直接滴镀到纳米反应器里可透电子束的透明窗口上。

纳米反应器

史上最小的化学反应炉

在MEMS技术的基础上, 纳米反应器成为一种功能性样品载体, 能在纳米尺度上实现对反应环境的控制和清洁。集成到纳米反应器中的是4探针式微加热器和微传感器, 用于控制样品所在局部的温度环境, 可以从室温加热到1000° c。作为耗材, 纳米反应器确保了实验环境没有污染, 并在芯片升级时您能够即时更换使用最新的技术进行研究!

清洁的环境
可控的温度
最佳成像效果

模块化设计的样品杆

可拆换的管道和芯片仓确保实验无污染

可更换的管道和反应仓
机械稳定性
绝佳的真空密闭性
一个清洁的环境是原位显微学表征的必要条件和模块化的样品台设计实现所有接触到反应气体组用户可以自行替换或清洁。这包括气体管道, 金属杆头和盖子, o 形环和耗材纳米反应器。

供气系统

精确快速控制气体实验

Climate供气系统是TEM 催化剂研究的一个跨时代的利器, 它将所有的气体控制功能集成到一个整合的平台中。为了优化通过纳米反应器的气流, 供气系统控制样品环境的压力, 气流流量和气体成分, 实现了催化剂粒子反应在原子尺度的成像和分析。
专利混气阀
快速气体切换
实验可以设定程序并自动控制

Stratus 软件

全面操控您的气体环境

Stratus对供气系统所有参数、调节器和功能 的进行数字化直接控制,全面操控纳米反应器中的气体参数。它能设置操作流程并自动化运行,随心掌控供气系统, 还可以显示实时压力/流量与时间数据的详细图示。该软件提供直接控制或高级流程模式的选择, 无论是运行基础或复杂的实验都轻松简单!

方便的图像界面
简便和高级模式
程序设置器

常见问题

Climate是否兼容EELS?
是的, 经验证EELS即使在高达 1 bar 的压力下, 也能产生很好的频谱。tem 中的主电子束与纳米反应器窗口以及内部微少气体的相互作用极小。
系统运行实验准备通常需要?
系统运行实验准备通常需要40分钟左右:

  • 5分钟在纳米反应器上加载样品 (如滴注法)
  • 10分钟安装样品仓: 放入纳米反应器并关闭盖子
  • 10分钟对齐上、下透明窗口
  • 15分钟做电气连接和泄漏测试 (抽气会占用大部分时间)

以上时间不包括制样, 因为不同样品差异较大

纳米反应器里使用的典型样品是什么?
典型使用的样品为催化剂研究的纳米颗粒, 可以用小吸管直接溅射沉积到电子束可穿透的透明窗上。纳米线和薄膜可以用镊子和/或微型机械手加载到纳米反应器中。一般而言, 任何直径小于6微米和小于5微米厚的样品都可以加载到纳米反应器中进行TEM成像。
Climate系统可以使用什么气体?
安全气体的清单是基于该气体是否和纳米反应器、样品台和气体供应系统使用的材料反应, 。气体会接触的材料包括:
是否有必要使用Climate供气系统?
DENSsolutions强烈建议需要气体混合和/或流动时使用Climate供气系统。该系统是专门为纳米反应器设计, 它保证了在安全和性能方面的最佳效用。Climate系列S3+标配供气系统。如果只在不需要动态气流的情况下进行静态气体实验, Climate系列S1+系统包括一个气体装载台, 它允许从样品台的后面使用手工阀将少量气体密封在样品台内。您自己的供气系统有可能可以接在Climate系统上使用, 但如使用自己的供气系统DENSsolutions 不能为Climate系统的安全运行承担责任。
换气管通常需要多久?
更换气管需要大约10-15 分钟。其标准材料为石英玻璃, 但如果用户需要, 可以将其更改为PEEK 或其他材料。有经验的Climate系统使用者能够在5分钟内完成管道更换。
在我的电镜里使用Climate样品杆安全吗?
是的Climate系统工作流程规定, 在安装样品杆头后但在插入到电镜仓之前, 需要测试样品杆是否有真空泄漏。只有在成功通过此测试后, 用户才能继续执行下一步 (插入电镜)。气体杆的尺寸设计根据TEM制造商(FEI和日本电子品牌)的物镜杆极靴规格。只要样品杆也使用在用户手册上列出的 z 和 t 轴范围内, 样品杆就不会碰到极靴造成损伤。
纳米反应器是否对分析结果有影响?
最大的影响将是来自于加热纳米芯片, 主要是这将在 EDS 或EELS频谱上产生 Si 峰, 特别是当电子束接近透明窗口 (6 µm 直径)的边缘时。不用样品而在Climate纳米反应器内通入气体获取背景光谱, 可以帮助在你的能谱和光谱图中突出具体的样品相关结果。理论上, 通过纳米反应器的电子会发生散射。考虑到主电子束 (通常是200或 300kev) 的能量和低密度的气体和窗口, 它们影响非常有限。由样品 (DF信号) 所产生的弹性散射的电子可能比未散射的(BF 信号) 电子对气体或窗口的作用略多。
Climate系列的倾转角度多大?
目前 DENSsolutions的Climate样品杆并不能倾转. 这是由于电子束可穿透的透明窗口 (10 和6微米直径) 在芯片的上部和下部的纳米反应器需要保持完全对齐确保电子束通过这它们。

下载Climate图册

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