一篇信息量超乎你想象的优质干货！看TEM在催化研究中如何大显神通?

透射电子显微镜能放大倍数从几千倍到几百万倍不等，既可以观测试样的大致形貌、测量颗粒尺寸及分布，又可以获得试样的高分辨相，得到晶体试样原子尺度的信息。本文着重向大家介绍TEM在催化领域中的典型应用。

通过一篇文章讲清楚透射电镜的原理比较难，而且要花费很多篇幅，不利于读者们学习，我们直接讲影响透射电镜成像的因素和配件，然后快速进入应用篇。

理论：根据电子显微学理论，加速电压越高，理论空间分辨率越高。

缺陷：对于不同的试样，高加速电压同时会带来辐照损伤等问题，影响实际分辨率。

影响因素：加速电压固定后，影响透射电子显微镜分辨率的因素可归结为球差、象散和色差。

产生原因：磁透镜近轴区域和远轴区域对电子束的焦距能力不同，是影响电子显微镜分辨率的主要因素。

解决方案：通过引入球差校正器，可以彻底消除球差，使透射电子显微镜的空间分辨率达到亚埃级。

主要品牌：FEI公司的Titan系列以及日本电子公司的ARM系列等。

产生原因：根本原因是磁透镜在两个相互垂直的方向上的聚焦能力不同。

解决方案：每台透射电子显微镜都装配有消象散器，通过调节磁场消除象散的影响。

产生原因：与电子能量的差别相关。

理论上假定电子是单色的，但实际上电子光源很难做到真正单色。另外，非弹性散射电子也会损失能量而形成色差。

解决方案：场发射电子枪的单色性已经很好，通过改进光路的设计还能进一步提高电子的单色性。

基本原理：当高能电子被原子散射时，有一定几率会激发原子的内层电子，使之跃迁并留下一个空穴。之后，原子的外层电子会有一定几率跃迁至内层空穴，同时会辐射一个光子。该光子的波长通常在X射线的波长范围内，由于原子核外电子的能级是量子化的，辐射出的光子能量携带了原子本身的特征信息。核外电子的能级仅与原子核的正电荷数，即核电荷数相关，因此通过采集试样在电子束辐照下辐射的X射线，便能辨识试样的元素信息。

优点：设备简单，成本较低、分析试样的元素信息效率极高。

1）在TEM模式下，能谱分析能够得到较大区域的综合元素信息；

2）与STEM模式相结合，通过控制聚焦电子束的扫描位置，可实现对试样的点、线、面的元素分析。

缺点：对轻元素的分辨不理想。

解决方案：采集窗口等技术的提高，对轻元素的分析能力有所提高。

主要厂家：提供能谱仪的厂家主要有美国的EDAX公司以及英国的牛津公司等。

基本原理：当电子束穿过试样时，一部分电子会发生非弹性散射。非弹性散射过程损失的能量不但与原子的核电荷数相关，同时也与原子核外电子的化学环境紧密相关。因此非弹性散射部分电子同时携带了试样的元素信息和价态信息，能够成为分析试样的有效手段

在CCD或Camera前加装电子光路，可实现对不同能量电子的分离。对不同能量的电子进行计数，便可绘制出试样的电子能量损失谱图。结合透射电子显微镜的STEM模式，同样可实现对试样不同空间区域的点、线、面分析。

优点：相对于能谱，能量损失谱携带更丰富的信息

缺点：分析难度较大、价格昂贵、操作复杂。

因原子所处化学环境不同，能量损失谱也往往有着较大差异，而且成熟的标准谱库。因此使用能量损失谱的分析难度较大，有时甚至需要准备标准试样进行比对。

能量损失谱的价格较高，操作较为复杂，也在一定程度上限制了它的应用。

主要厂家：美国的Gatan公司，配合高速摄像技术，目前已可实现微秒级时间分辨率的能量损失谱分析。

2.3.1高温原位观察

方法：通过电加热或激光加热的方法加热试样杆，对试样杆前端进行局部加热，从而实现在高温下原位观测试样的目的。

案例：

中科院上海硅酸盐研究所史迅和陈立东等利用原位加热平台，观测到了Cu₂Se材料从低温相（单斜或正交）到高温立方相的转变，见下图。

相关参考文献：Liu Huili，Shi Xun，Xu Fangfang，et al. Copper ion liquid-likethermoelectrics［J］. Nat Mater，2012，11（5）：422 – 425.

2.3.2化学反应原位观察

方法：如果辅以一定的技术引入气体，还可实现化学反应的原位观测。

案例一：

韩国高丽大学Jeunghee Park研究团队原位观测了Cu₂S 颗粒在多壁碳纳米管上的生长过程（见下图）。

案例二：

清华大学化学系李景虹团队原位观测了SnO₂介孔材料在多壁碳纳米管上的生长过程。

从透射电子显微镜的结构看，由于试样室空间有限，原位反应容易污染极靴，在一定程度上限制了原位反应的应用。

相关参考文献：

［1］ Lee Hyunju，YoonSang Won，Kim Eun Joo，et al.In-situ growth of copper sulfide nanocrystals on multiwalled carbon nanotubesand their application as novel solar cell and amperometric glucose sensormaterials［J］. Nano Lett，2007，7 （3）：778 – 784.

［2］ Wen Zhenhai，WangQiang，Zhang Qian，et al. In situgrowth of mesoporous SnO₂ on multiwalled carbon nanotubes： A novel composite with porous-tube structure as anode for lithiumbatteries［J］. Adv Funct Mater，2007，17（15）： 2772 – 2778. 

2.3.3 低温原位观察

方法：通过液氮或液氦对试样杆进行冷却，则可进行试样的低温原位观测。

案例：

美国斯坦福大学崔屹团队实现了利用冷冻电镜观测电池材料和界面原子结构，观察到碳酸盐基电解质中的枝晶沿着<111>（优先），<110>或<211>方向生长为单晶纳米线。

相关参考文献：

Li, Yuzhang, et al.”Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealedby cryo–electron microscopy.” Science 358.6362 (2017): 506-510. 

2.3.4 原位施加应力 

对材料原位施加应力是另一个研究方向。

案例一：

北京工业大学郑坤、澳大利亚昆士兰大学邹进合作，通过改造试样杆，实现对ZnO纳米线的原位拉伸，并研究了拉伸应变下晶格的变化；

案例二：

西安交通大学孙军、宾夕法尼亚大学Li ju等利用压电陶瓷电机对材料施加压缩应变，原位研究了材料的性能。

其他：各类原位试样杆与透射电子显微镜的TEM 和 STEM 模式相结合，辅以能谱、能量损失谱等配件， 可以实现对试样多角度的原位分析。

相关参考文献：

［1］ Wang Lihua，Zhang Ze，Han Xiaodong. In situ experimental mechanics of nanomaterials at theatomic scale［J］. NPG Asia Mater，2013，5（2）：1 – 11.

［2］ Shao Ruiwen，Zheng Kun，Wei Bin，et al. Bandgap engineering andmanipulating electronic and optical properties of ZnO nanowires by uniaxialstrain［J］. Nanoscale，2014，6 （9）：4936 – 4941.

［3］ Yu Qian，Shan Zhiwei，Li Ju，et al. Strong crystal size effect ondeformation twinning［J］. Nature，2010，463（7279）： 335 – 338.

2.4 三维重构

原理：在于将试样杆向正负两个方向倾转，记录每次旋转后得到的二维图像，然后通过特殊算法将二维图像的序列合成为三维模型。

优点：获得试样的三维形貌信息。

难点：

1）试样杆必须有足够大的倾转角度，才能得到较为全面的信息。

2）为了使二维图像序列可以生成三维模型，每一次采图都要经过位置的矫正。

补充：通过特殊的技术，如冷冻电镜、相位重构等方法，可实现超高分辨率下的三维重构。

样品要求：试样厚度极小（十纳米到百纳米量级）或拥有薄区。对分辨率的要求越高，试样沿电子束方向的尺度就要越小。

对于形态是纳米颗粒的催化剂试样（如加氢、 脱氢催化剂），需要将纳米颗粒在乙醇或丙酮等挥发性溶剂中分散，超声若干时间增加分散度，然后转移到负载有碳支撑膜的铜网上，待溶剂自然挥发后，纳米颗粒便附着在碳支撑膜上。

有时纳米颗粒在溶剂中容易团聚，而对于需要单颗粒分析（如判断晶面）的试样，增加颗粒的分散度至关重要。对于无法超声分离的试样，可寻找替代溶剂或加入表面活性剂增加颗粒的分散度。

研磨：对于成型催化剂试样，可通过研磨得到小颗粒，再重复上述过程。

剥离：有时催化剂颗粒附着在载体表面，而载体本身并不是需要分析的对象，这时需要将催化剂颗粒从载体表面机械剥离并研磨，尽可能减少载体对透射电子显微镜表征的影响。

包埋：对于含MgCl₂和TiCl₄的聚烯烃催化剂，与空气结合不但会破坏催化剂或载体的结构，挥发出的 HCl 气体还会对极靴造成腐蚀。在这种情况下，需要用环氧树脂对催化剂进行包埋，待环氧树脂完全固化后，用超薄切片机切出薄片，并转移到铜网上进行观测。

TEM 模式的放大倍数从几千倍到一百万倍不等，既可以观测试样的大致形貌、测量颗粒尺寸及分布，又可以获得试样的高分辨相，得到晶体试样原子尺度的信息。

纳米颗粒和分子筛都是常见的催化材料，可以通过TEM获得其形貌和高分辨图像，在此不做案例介绍。

在TEM 模式下，用选区光阑选择试样特定的区域，切换透射电子显微镜的工作模式，便可得到试样的衍射图案为了得到恰当晶面的衍射图案，衍射模式需配合双倾试样杆使用。

催化科学中另一类重要试样是聚合物试样，由于聚合物试样无法采用通常的研磨机减薄工艺，可采用冷冻超薄切片的方法制备透射电子显微镜试样。

利用TEM模式可看到聚合物试样切片的微观信息，如橡胶中掺杂的纳米颗粒或碳纳米管等。观测聚合物试样时需要选择适当的物镜光阑以增加衬度，同时，聚合物试样的制备对制样设备及操作人员的要求较高，通常需要多次尝试才能制得合适的试样。

要得到聚合物薄膜材料良好的形貌图像，必须令薄膜的厚度足够小以便电子透过，同时需要选择合适的放大倍数。 

TEM模式同样可以配合能谱仪使用，得到试样某个区域的元素信息。然而，TEM模式只能得到一个视野中试样总体的元素信息，无法对局域元素成分进行分析，限制了TEM模式能谱仪的应用。

使用TEM模式分析催化剂试样时，经常会遇到以氧化铝或其他不导电材料为载体的试样，影响分辨率及含量较低的催化剂颗粒的衬度。为了增加催化剂颗粒的衬度，可选择STEM模式。    

基本原理：在TEM模式下，打在试样上的电子束为平行光。如果将电子束聚焦打在试样上，同时采集透射部分的高角度散射电子，在得到试样形貌信息的同时，还可得到试样成分的元素质量衬度。

区别：与TEM模式相比，STEM模式与试样作用的电子束是聚焦的，且采集的信号是高角度散射电子。因此，STEM模式通常又叫做高角度环形暗场像。

主要特点：

1）由于电子束是聚焦的，可以控制电子束与试样的相对位置，从而实现对试样的点、线、面分析；

2）TEM 模式通常为明场像，而STEM模式通常为暗场像；

3）在STEM模式下，信号强度正比于元素质量的平方。

应用：

1）由于拥有良好的元素衬度，常用作对载体上的纳米颗粒催化剂成像，在TEM模式下衬度不佳的纳米颗粒试样，在STEM模式下会更加清晰。例如，在STEM模式下，Pt颗粒拥有良好的衬度。

2）与能谱及能量损失谱结合，可实现对试样元素及元素价态的点、线、面分析。

STEM模式下的辐照损伤

在STEM模式下，由于电子束是聚焦的，因此经常会对试样造成辐照损伤。

原理：高能电子对试样造成了刻蚀，或电荷累积产生的热量对试样局部造成了损坏。

辐照损伤会对试样造成破坏，使分析结果失真。为防止辐照损伤的发生，一方面可增加试样的导电性，另一方面可降低加速电压、减小束斑强度，减少电子与试样的相互作用。

原理：在试样杆的前端集成电加热装置或其他加热技术，令试样杆在局部达到高温。

原位加热技术的温度范围通常为室温至1000 ℃，试样承载于铜网或氮化硅窗格上，通过铜网或窗格的传热被加热。 

值得注意的是，铜的熔点在1083 ℃附近，而加热时的瞬时温度可能会超过熔点。铜溶化后会污染设备及试样，因此在进行1000 ℃温区的原位实验时，应使用氮化硅窗格或选用钼微栅（钼的熔点约2617 ℃）。

案例一：

复旦大学赵东元、车仁超等在SBA-15分子筛负载的Au颗粒，他们将试样原位加热到550℃，并维持9h。在实验过程中，观测到纳米颗粒在载体表面的迁移（下图a所示）。之后，然后将温度升高到700 ℃并维持18 h，视野中距离较小的两颗纳米粒子在9h左右发生了融合（下图b所示）。

SBA-15 分子筛负载Au纳米粒子在550 ℃（a）及700 ℃（b）下的原位实验

案例二：原位加热反应中引入气体

查尔姆斯理工大学Langhammer团队将直径为3 nm 的Pt 纳米颗粒负载于Al₂O₃和SiO₂衬底上，分别通入4%（φ）的O₂ 和0.1%（φ）的NO₂，并加热到600 ℃进行原位反应，揭示了Pt 纳米颗粒在不同衬底、不同气氛反应中形态的变化，结果如下图所示。

Pt纳米颗粒在不同衬底及气氛中的原位反应

相关参考文献：

［1］ Langhammer C. In-situ plasmonic sensing of platinum model catalystsintering on different oxide supports and in O₂ and NO₂ atmospheres withdifferent concentrations［J］.ACS Catal， 2015，5：426 – 432.

案例三：原位施加应力

Ni 金属经常被用作低温甲烷化反应的催化剂，而Ni金属在应力下晶体结构会发生一定的改变。

北京工业大学隋曼龄、匹兹堡大学Mao SX在TEM模式下原位研究了纳米Ni在应变下的高分辨像，观测到在应变下位错会向着晶界移动，结果下图所示。

原位观察Ni 纳米晶中晶界发射和吸收不全位错的系列HRTEM 图像

相关参考文献：

［1］ Li B，Sui Manling，MaoScott X. Pseudoelastic stacking fault and deformation twinning innanocrystalline Ni［J］. Appl PhyLett，2010，97（24）：241912.

三维重构能重现试样在三维空间中的形貌，通常的三维重构技术要求系统具有很高的稳定性， 因此放大倍数只能维持在十万倍以内，且对试样本身也有一定的要求。 

在催化领域中，有两类试样适合用三维重构技术表征：一是纳米颗粒催化剂在载体上的分布；二是掺杂材料在聚合物中的分布。

案例一：

荷兰乌得勒支大学K.P. de Jong团队利用三维重构技术建立了Ag 纳米粒子在NaY分子筛上的分布模型，如下图所示。 图中绿色部分为NaY 分子筛载体，粉色部分为Ag 纳米颗粒。利用三维重构技术，可以清晰地看到Ag纳米颗粒在载体上的分布。

相关参考文献：

［1］ de Jong K P. Development and application of3-dimensionaltransmission electron microscopy（3D-TEM） for the characterization of metal-zeolite catalyst systems［J］. Stud Surf Sci Catal，2000，130：329 – 334. 

案例二：

日本京都工艺纤维大学Yuko Ikeda课题组利用三维重构技术表征了不同尺度碳颗粒在天然橡胶中的分布，如下图所示。a～c 为形貌图，d～f为对应的三维重构模型，碳黑颗粒分别为CB-10、CB-40 及CB-80。为了增强视觉效果，TEM形貌图反转了图像的衬度。通过三维重构，令碳颗粒的空间分布一目了然。

相关学习文献：

［1］ Ikeda Yuko. Visualisation of carbon blacknetworks in rubbery matrix by skeletonisation of 3D-TEM image［J］. Polymer， 2006，47（10）：3298 – 3301.