纳米材料动态变化过程原位池透射电镜研究

After near 90 year’s development, the resolution of transmission electron microscopy(TEM) has pushed to 0.5nm which was 50 nm at the early days. Compare to the achievement of spatial resolution, the imaging of sample through liquids and atmospheric gas still been challenging, because of the incompatibilities of liquids and gas with the high vacuum environment of TEM. So far, the liquid cell TEM has attracted more and more attention in materials science, chemistry, physics and biology. The key thing for in situ EM TEM is the sample cells. This project proposed to use the liquid cell with ultra thin windows(10 nm NxSi) start thestudy of surface structure and surface reaction by in situ liquid cell TEM. By using the liquid cell TEM we can image both the catalyst surface and the reaction materials in situ at atomic scale, which will greatly improve our knowledge of catalysis. At the same time this method can be applied to energy, life science, mineral and other field, this study can greatly benefit society and economy.

经过近 90 年的电镜技术开发,透射电镜的分辨率从50nm推进到了 0.05nm,与在高分辨成像所取得的进展相比,对液体和常压气体环境中的高分辨观察还远未能够在电镜中彻底实现。电镜的光路系统需置于高真空中,液体和常压气体中的原位超高分辨观察依然是极大的挑战。近年原位池透射电镜技术正越来越受到重视,在材料科学，物理学，化学和生物学等研究领域引起了高度的关注。原位透射电镜其关键技术是设计制备原位样品池。本项目提出利用申请人在美国伯克利国家实验室工作期间，研发的国际领先水平原位池,开展液体中原子尺度原位透射电镜研究，可以实时高时间空间分辨的同步研究反应过程中的催化活性中心，催化剂老化，物质迁移转化过程，能极大推进材料合成，催化科学技术的发展。

原位液体透射电镜能够实时直观地观察液相中反应过程中各种物质的变化，分辨率可达到原子级，能够实时的发现反应中以前不为人知的细节信息，对反应的认识能到达前所未有的程度，进而对基础研究和应用都能有极大的促进作用。.因此，基于申请人掌握的原位池透射电镜领先技术和研究基础，本项目拟开展研究工作的目标是将催化剂合成和使用研究放入到透射电子显微镜中进行，实时表征多相体系中催化剂在原子尺度的结构和性质变化，在粒子尺度的位移聚合，物质传输转换等问题。推进关键技术如原位液体池的研发制备，外场响应，微环境控制，动态观察及分析等功能于一体的实验系统的开发。.本项目开发了多种具有自主知识产权国际领先原位分析测试系统，在电镜中引入了光、电、热、力、流体等外场控制系统，其中部分系统为世界首创，并建立了一套完整的原位芯片开发及加工链条，打破原位芯片及原位样品台系统国外垄断，已经实现产业化并进入市场提升了相关领域国产设备的话语权。.在运用原位液体环境透射电镜研究研究材料合成机理和液固相反应过程方面，完成了数个代表性应用展示。1，针对具有精确结构二维超晶格的制备难题，原位研究铂二维超晶格的形成和{100}面间的强范德华相互作用引起的六配位到四配位的局部相转化过程，为超晶格组装和稳定机制提供独特的见解(Sci. China Mater., 2020, 63, 602)。 针对高效PtNi电催化剂形成机制尚不明确等难题，实现了原子级观察Pt3Ni-Ni(OH)2核壳结构在气液界面处的动态生长过程，揭示了该结构的生长机理和转变机制。(Sci. China Chem., 2020, 63, 513) 受红细胞（脊椎动物体内运送氧气的主要媒介）结构的启发，构筑锂硫电池高性能仿生电极材料，通过原位液相TEM技术揭示微观过程(Nano Energy 2020, 72, 104680)。直接观察了不稳定Cu2O催化剂上的光催化制氢过程，作首次对纳米催化剂上活性中心的原位形成进行了研究，为进一步了解催化剂的催化机理提供了一种新的方法（Applied Catalysis B: Environmental, 2020, 284, 119743）。