Miljøscanningstransmissionselektronmikroskopi muliggør mere realistiske katalysatorreaktionsundersøgelser

Heterogene gas-faste katalysatorreaktioner forekommer på atomær skala, og der er stigende bevis på, at enkelte atomer og meget små klynger kan fungere som primære aktive steder i kemiske reaktioner. Når man studerer de reaktioner, der finder sted på katalysatoroverfladen, videnskabsmænd er normalt nødt til at undersøge idealiserede reaktionssystemer under idealiserede forhold i stedet for at undersøge virkeligheden af ​​en industriel katalytisk proces, som kan være inhomogene prøver ved høje temperaturer og tryk. Strukturelle træk i inhomogene prøver, såsom heterogene industrielle katalysatorer bestående af, for eksempel, af nano-partikulære metaller og oxidunderstøtninger med højt overfladeareal, kan identificeres ved moderne højopløsningsmikroskopiteknikker, især ved transmissionselektronmikroskopi (TEM). Endnu, disse undersøgelser skulle stadig udføres, meget urealistisk, under højvakuumforhold.

For nylig, et hold ved University of York (UK) ledet af Pratibha L. Gai og Edward D. Boyes udviklede en version af en atomopløsning "miljømæssig" TEM, forkortet til ETEM, til studier under meget mere realistiske forhold. Det gør det muligt at sondere gas-faste reaktioner direkte på atomniveau under kontrollerede atmosfære- og temperaturforhold. Moderne ETEM'er kan understøtte temperatur, tid, gastype og trykopløste undersøgelser med høj præcision og 0,1 nm opløsning.

I det seneste nummer af Annalen der Physik , gruppen præsenterer yderligere udviklinger:et nyt aberrationskorrigeret miljøscanningstransmissionselektronmikroskop (AC ESTEM). Det vigtigste fremskridt er at udvide den "miljømæssige" metode til scanning af TEM (=STEM) undersøgelser. Eksperimenter kan udføres ved tryk på flere Pascals, mens atomopløsning og fuld TEM-funktionalitet bevares. Ved at bruge den nye teknologi, forskerne var i stand til at vise Pt-atommigrering under sintring og en omstrukturering af Pt-klynger ved forhøjede temperaturer og tryk – hvilket ville have været umuligt at observere ved brug af konventionel TEM. Dette lover ny indsigt i katalytiske og andre systemer under forhold, der nærmer sig omgivende tryk. Den løbende udvikling er designet til at øge gastrykket ved prøven.

Systemets aberrationskorrektion er særlig fordelagtig i dynamiske in-situ eksperimenter, fordi der sjældent er mulighed for at optage til efterfølgende datarekonstruktion en fuld gennem fokal serie af billeder. Det er i stedet nødvendigt at udtrække den størst mulige information fra hver enkelt billedramme i en kontinuerligt skiftende sekvens. Det er også vigtigt at begrænse elektrondosis for at sikre minimalt invasive forhold, at kontrollere sekundære effekter såsom kontaminering, og for at undgå at indføre yderligere mekanismer, der ikke er relateret til den virkelige katalysatorkemi, f.eks. gennem gasionisering af strålen.

I modsætning til deres tidligere TEM-arbejde, som belyste en tynd prøve med en relativt bred elektronstråle, i STEM rasteres en fokuseret elektronsonde hen over prøven for at skabe et billede pixel-for-pixel. I en ekspertudtalelse om artiklen offentliggjort i samme nummer, Donald MacLaren fra Glasgow University (UK) opsummerer de vigtigste fordele ved metoden:et STEM-billede kompileret ved hjælp af elektroner spredt gennem høje vinkler kan direkte fortolkes og ukompliceret af diffraktionseffekterne, der har tendens til at dominere TEM-billeder af krystallinske materialer. Der leveres udsøgte tredimensionelle og atomopløste undersøgelser af nanopartikeloverflader, som kunne, f.eks., hjælpe med at identificere de aktive steder i en understøttet metalkatalysator. Desuden, yderligere signaler kan indsamles under rastering, såsom røntgenstråler eller uelastisk spredte elektroner, leverer omfattende funktionelle kort.