材料研究之气相、液相化学反应的原位透射电子显微观察

气相和液相化学反应的研究在材料的形核及生长,界面反应,电化学反应,生物矿化,和催化反应等领域都有着重要的科学意义。目前,研究者们将关注点集中在反应的机理上,以期望从反应的本质上来理解、调控并应用材料。透射电子显微技术(TEM)在材料形貌、结构的表征上发挥着重大的作用,是我们研究和表征材料不可或缺的重要工具之一。原位透射电子显微(in situ TEM)技术,是利用TEM的高空间分辨率和高能量分辨率,通过向TEM内部腔体引入力、电、光、热、气和液体等外部信号,从而实现在TEM内部对物理和化学反应的动态、实时地原位观测。目前,原位电子显微技术已在材料科学、生命科学和能源应用等研究领域发挥出重要作用。

近日,上海交通大学材料科学与工程学院的邬剑波教授及其合作者撰写了相关综述介绍原位透射电子显微技术(in situ TEM)在气相和液相化学反应中的研究进展。该综述先扼要地介绍了多种原位表征技术,重点阐述了透射电子显微技术在空间、时间高分辨率及与其他表征技术良好配合上的优势。然后,作者介绍了in situ TEM技术的发展历史,随后分别从气相反应和液相反应两个方面着手,介绍了in situ TEM技术在材料合成制备、催化、能源和生命科学等四个领域内的应用。

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在气相反应方面,该文章举例介绍了气相in situ TEM在原位研究纳米线的VLS生长,奥氏熟化,一氧化碳氧化,光催化水解中的应用。在液相反应方面,该文章从纳米材料的形核及生长,纳米颗粒的合并、定向聚集、晶面生成,核壳材料的生长,颗粒的选择性腐蚀,以及在锂离子电池、燃料电池和生命科学等方面进一步举例说明液相in situ TEM在动态、实时地研究反应过程中的重大指导作用。

在前景展望部分,作者指出,in situ TEM技术在材料科学与生命科学领域发挥重要作用的同时,也面临着以下几个方面的挑战,例如,成像的高分辨率问题,与其他表征技术和仪器联用的问题,大数据高效处理问题,液相原位加热问题,生物材料的拍摄问题,液相中颗粒的3D结构成像问题,以及可调控的微反应腔室等问题。相信在材料科学和显微镜技术的不断发展和推进下,以上问题也将会一一得到解决,共同推动原位透射电子显微技术的进一步发展。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201602519)上。