原位透射电镜的应用

　　原位透射电镜得到巨大的发展，为材料科学家、化学家提供了一种原子尺度下，原位观察材料化学反应和转变的新方法。随着原位透射电镜的发展，科学家也可利用其进一步理解纳米材料化学反应的机理。

原位透射电镜的作用

　　对比其他原位表征手段，原位透射电镜具有高的分辨率，可与其他技术联用等优势，引起研究者们的广泛关注。原位透射电镜在材料合成，化学催化，生命科学和能源材料领域有着重要的应用，可以通过在原子尺度下实时观察和控制气相反应和液相反应的进行，从而研究反应的本质机理。

　　气相和液相化学反应在材料科学和工程中涉及到各种领域的研究，如材料传感器、能源的存储与转化、化学催化等。环境透射电镜(ETEM)因其超高的空间分辨率为原位观察气相、液相化学反应提供了一种重要的方法。研究者们利用原位透射电镜(in situ TEM)进一步理解化学反应的机理和纳米材料的转变过程，以期望从化学反应的本质理解、调控和设计材料的合成。通过外部引入光、电、热信号，从而实现原位观察气相、液相反应的材料行为和反应机理。通过与其他技术的联用，如光谱、气相色谱、GX液相色谱等，实现化学反应动态、定量定性的原位观测。目前，原位电子显微技术已在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学领域发挥着重要作用。

原位透射电镜在气相反应的应用

　　气相反应因其在多领域的应用引起人们的广泛关注。很多化学反应是在催化剂辅助下，气相条件下发生的。对于纳米材料和生物分子，原位透射电镜观察可以得到更多重要的信息。因此，原子尺度下原位研究气相反应，特别是气固界面的反应，可以帮助研究者们进一步理解材料的合成，性能及用途。

　　1、原位观察气固液生长纳米线

　　在气固液反应过程中，气相扩散提供前体物质，形成液体共熔体，再生长成纳米晶种，Z后生长成纳米线。而金属氧化物的纳米线生长机理有别于此。CuO纳米线的生长通过末端层层生长形成。

　　2、奥斯瓦尔德熟化

　　颗粒基纳米材料具有很高的活性，随着反应的进行，由于烧结熟化过程中表面活性能的巨大损失，颗粒逐渐消失。其就表现出大的颗粒越来越大，小的颗粒越来越小，Z后消失的现象。

　　3、气相CO氧化

　　金属及其氧化物被广泛用于CO的催化氧化反应。在氧化过程中，在纳米颗粒表面主要发生如下现象：由于氧气扩散进入材料中，在次外层形成氧化层;由于催化剂优先吸附CO分子，热力学驱动纳米材料表面重组。催化剂表面的反应气体会改变催化剂表面对气体的吸附，进一步改变其表面能，从而使纳米颗粒发生表面重组。

　　4、光催化降解水

　　研究者们通过透镜或光纤在原位透射电镜中引入光学信号，从而实现原位观察纳米材料在光催化过程中的变化。TiO2光催化降解水的过程中，暴露在外面的晶面会从有序状态逐渐变为无序的。通过XPS的分析，在TiO2无定形表面层监测到Ti3+组分，表明TiO2光催化降解水的过程中，涉及到TiO2的氧化还原过程。

原位透射电镜在液相反应的应用

　　原位透射电镜可以在纳米尺度下观察液体中的化学反应，得到了巨大发展。原位透射电镜已经在材料合成、生命科学和能源材料领域得到了运用。

　　1、高能电子束对液相原位透射电镜的影响

　　原位透射电镜在观察液相反应时，高能电子束的散射作用比气相反应中更明显，研究者们为减少其散射，提高分辨率做了大量工作。此外，电子束穿过液体池时，还有可能也液相分子相互作用，产生各种各样的副产物。以水为例，其可能产生H2、H2O2、H3O+和 HO2-，从而发生人们所不想要的化学反应。

　　2、原位透射电镜在材料合成领域的应用

　　研究者们利用原位透射电镜观察到了多种纳米材料形成的过程：①在纳米材料的生长成核过程中，有直接从晶核生长形成的，也有先形成晶簇，通过晶簇间的相互作用形成的;②纳米粒子相互连接，进一步形成纳米材料;③形成纳米线或纳米棒时，发生的是定向联结的过程;④形成纳米核壳结构时，可能发生的是层层生长，孤立生长或者层与特定层间的相互作用;⑤形成纳米立方体时，会发生比较明显的晶面选择性生长;⑥纳米材料与特定离子的作用会发生选择性刻蚀。

　　3、原位透射电镜在生命科学领域的应用

　　研究者们通过重金属纳米颗粒标记生物样品，如蛋白、细胞等，利用原位透射电镜观察其在液体中的行为，而且也可以用半导体纳米粒子代替重金属颗粒，如量子点。通过类似的方法，研究者还原位观察到液体相中蛋白质为模版生成氧化铁的成核过程。

　　4、原位透射电镜在能源材料领域的应用

　　在发展储能材料中，观察化学反应的细节对于优化和设计材料的合成是至关重要的。研究者们可以利用原位透射电镜观察锂离子电池的稳定性，在通电过程中，观察到了电极材料的局部缺陷。对于燃料电池，研究者们利用原位透射电镜观察燃料电池运行过程中，催化剂的变化过程，提出了三类的降解机理：①碳腐蚀;②团聚;③铂的溶解与再生长。