Hoewel de telefoons in onze zakken misschien perfect zijn voor het maken van foto's van onze huisdieren, goede foto's maken van katalysatoren en andere materialen is veel complexer, vooral als je scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) gebruikt. De STEM-beeldvormingsmethode is een manier om katalysatoren te observeren terwijl ze werken, of onder katalytische omstandigheden. De uitdaging is dat achtergrondverstrooiing door reactiegassen, chemische reacties die gassen produceren, betrokken verlaagt de beeldkwaliteit, essentiële details over de structuur en chemische samenstelling verduisteren. Dr. Yuanyuan Zhu en Dr. Nigel D. Browning, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium, demonstreerde hoe katalysatoren effectief in beeld kunnen worden gebracht binnen de STEM-methode.

Katalysatoren zijn van vitaal belang voor reacties die bij alles betrokken zijn, van de plastic behuizing rond uw telefoon tot de brandstof in uw auto. Sneller creëren, efficiëntere katalysatoren om kosten en afval te verminderen, vereist duidelijke en gedetailleerde observaties van katalysatoren wanneer reactiegassen worden geïntroduceerd in STEM-beeldvorming. De nieuwe methode biedt wetenschappers een routekaart om achtergronddiffractie van reactiegassen te verminderen.

Transmissie-elektronenmicroscopie is een projectietechniek waarbij een elektronenbundel door een monster wordt doorgelaten en een beeld vormt. Het resulterende beeld kan vervolgens worden gefocusseerd op een beeldvormingsapparaat en geanalyseerd.

Scanning transmissie-elektronenmicroscopie, STEM genoemd, scant de elektronenbundel over het monster, in plaats van dat de straal statisch blijft. De afbeelding toont de elektronenverstrooiing op elk punt, het verstrekken van de massa van elk atoom. De hogere massa van een atoom, hoe helderder het in de afbeelding wordt weergegeven. Dit staat bekend als het Z-contrast. Met behulp van Z-contrast, wetenschappers kunnen bepalen welke individuele atomen reageren in een katalysator.

"Het idee is dat je echt kunt zien hoe een katalysator zou functioneren door hem op atomaire schaal te bekijken, " zegt Browning, katalyse wetenschapper.

Het probleem is dat wanneer reactiegassen aan de katalysator worden toegevoegd, het nieuw geïntroduceerde gas vervormt het beeld, verdoezelen de reacties die optreden. Momenteel, er is weinig informatie over hoe de reactiegasdruk in de beeldkamer correct kan worden afgesteld om duidelijke en gedetailleerde waarnemingen te produceren.

Zhu en Browning creëerden een in situ-omgeving in de beeldkamer, wat betekent dat de materialen zich in de kamer bevinden. Vervolgens pompten ze verschillende reactiegassen bij verschillende drukken in de kamer om de hoeveelheid achtergrondverstrooiing te meten die in elk beeld optrad. Het resultaat was een gedetailleerde blauwdruk van hoe de diffractie van de gassen kan worden afgetrokken om heldere en gedetailleerde beelden te creëren die klaar zijn voor interpretatie.

"Dit is een methode die zeer breed kan worden toegepast op katalysewaarnemingen, " zegt Browning. "We hebben een gedetailleerde beschrijving doorgenomen van hoe dat moet, zodat iedereen die dit soort experimenten wil doen hetzelfde kan doen en zeer gedetailleerde [afbeeldingen] kan krijgen."

De volgende stap voor Zhu en Browning is het onderzoeken van de gasdrukdiffractie op verschillende katalysatoren.