Een nieuw apparaat dat observatie met hoge resolutie mogelijk maakt van dynamische processen in de vloeibare fase op nanoschaal

In situ observatie en registratie van belangrijke elektrochemische reacties in de vloeistoffase in energieapparaten is cruciaal voor de vooruitgang van de energiewetenschap.

Een onderzoeksteam onder leiding van een geleerde van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs een nieuw, klein apparaatje ontwikkeld om vloeistofspecimens vast te houden voor observatie met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). real-time met hoge resolutie.

Het onderzoeksteam is van mening dat deze innovatieve methode licht zal werpen op strategieën voor het fabriceren van een krachtig onderzoeksinstrument voor het blootleggen van de mysteries van elektrochemische processen in de toekomst.

Het gebruik van conventionele TEM is beperkt tot dunne, stabiele en solide monsters vanwege de vacuümomgeving (een vacuümomgeving voorkomt dat de elektronen langs hun paden worden geabsorbeerd of afgebogen en de waarneming beïnvloeden) in de kamer voor het vasthouden van de monsters. Vloeibare monsters zijn vacuüm-incompatibel, dus ze kunnen niet rechtstreeks worden gesondeerd in traditionele TEM.

Gelukkig is het met de opkomst van de meer geavanceerde in-situ “vloeibare cel TEM” mogelijk om dynamische processen in de vloeistoffase in situ te bestuderen, zoals het observeren van kristalkiemvorming en groei in oplossing, elektrochemische reacties in energie-apparaten en de levensactiviteiten van levende cellen.

De “vloeibare cel” is een kerncomponent van TEM om de monsters vast te houden zodat de elektronenstraal er doorheen kan, waardoor in-situ observatie mogelijk wordt. Maar het is een uitdaging om een ​​hoogwaardige vloeistofcel voor TEM te vervaardigen, omdat het gaat om het opnemen van elektroden en het inkapselen van elektrolyten in een kleine “gesloten” vloeistofcel om lekkage te voorkomen en tegelijkertijd op een externe stroombron aan te sluiten.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Zeng Zhiyuan, assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering aan CityU, en professor Li Ju van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben met succes een efficiënte en nieuwe methode ontwikkeld om “gesloten” te fabriceren elektrochemische vloeistofcellen, die de resolutie van TEM met vloeibare monsters aanzienlijk kunnen verbeteren.

“De nieuw ontwikkelde gesloten vloeistofcel voert twee hoofdtaken uit: (1) de vloeistofmonsters omsluiten in een gesloten container, waardoor ze worden gescheiden van de microscoopvacuümomgeving; en (2) de vloeistofmonsters opsluiten tot een voldoende dunne vloeistoflaag met behulp van twee elektronen -transparant siliciumnitride (SiN_x) vensters, zodat elektronen door de vloeistoflaag kunnen reizen en de reacties in beeld kunnen brengen”, legt Dr. Zeng uit.

Om de hoogwaardige, “gesloten” elektrochemische vloeistofcellen in dit protocol te vervaardigen, gebruikte het onderzoeksteam geavanceerde nanofabricagetechnieken, waaronder fotolithografie, om de kerncomponent van in situ vloeibare TEM – de vloeibare cel – te fabriceren. Fotolithografie is een proces waarbij ultraviolet licht wordt gebruikt om een ​​geometrisch ontwerp over te brengen van een optisch masker naar een lichtgevoelige chemische stof (fotoresist) die op het substraat is gecoat.

Het team vervaardigde de onderste chip en de bovenste chip afzonderlijk en monteerde ze vervolgens samen. Tijdens het metaalafzettingsproces werden goud- of titaniumelektroden op de onderste chip afgezet. Vervolgens werd de elektrolyt geladen en verzegeld in de vloeistofcel.

Met behulp van deze innovatieve vloeistofcel met de transmissie-elektronenmicroscoop kunnen de dynamische elektrochemische reacties van het vloeistofmonster op het elektrode-oppervlak in realtime met hoge resolutie worden geregistreerd via het TEM-besturingssysteem dat is geïntegreerd met een camera met hoge spatio-temporele resolutie.

“De elektrochemische vloeistofcel die is ontworpen door onze op maat gemaakte nanofabricagemethode heeft dunnere SiN_x beeldvormende vensters (35nm) dan commerciële vensters (50nm), “legde Dr. Zeng uit. “Het heeft ook een dunnere vloeistoflaag (150nm) dan die van commerciële (1000 nm). De dunnere SiN_x beeldvensters en een dunnere vloeistoflaag zorgen ervoor dat onze gefabriceerde vloeistofcel elektrochemische reacties kan vastleggen met een betere ruimtelijke TEM-resolutie dan commerciële.”

Het team is van mening dat er snel na de ontwikkeling van de elektrochemische vloeistofcel veel kansen en toepassingen voor de in-situ TEM-observatie van elektrochemische reacties zullen ontstaan ​​met de selectie van metalen elektroden met patroon en de ingekapselde vloeibare elektrolyten in de vloeistofcel.

Dit nieuw voorgestelde fabricageprotocol kan ook worden gebruikt in andere in-situ technieken dan TEM. Een goede aanpassing aan dit protocol zou bijvoorbeeld geschikt zijn voor de fabricage van elektrochemische vloeistofcellen voor in-situ röntgenkarakteriseringen van elektrochemische reacties (röntgenabsorptiespectroscopie, röntgendiffractie, enz.).

De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurprotocollen.