Även om telefonerna i våra fickor kan vara perfekta för att ta bilder av våra husdjur, att ta bra bilder av katalysatorer och andra material är mycket mer komplicerat, speciellt när du tar in scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). STEM-avbildningsmetoden är ett sätt att observera katalysatorer medan de arbetar, eller under katalytiska förhållanden. Utmaningen är att bakgrundsspridning från reaktionsgaser, kemiska reaktioner som producerar gaser, involverade sänker bildkvaliteten, döljer viktiga detaljer om strukturen och den kemiska sammansättningen. Dr. Yuanyuan Zhu och Dr. Nigel D. Browning, Pacific Northwest National Laboratory, demonstrerade hur man effektivt avbildar katalysatorer inom STEM-metoden.

Katalysatorer är avgörande för reaktioner som är involverade i allt från plasthöljet runt din telefon till bränslet i din bil. Skapar snabbare, effektivare katalysatorer för att minska kostnader och avfall kräver tydliga och detaljerade observationer av katalysatorer när reaktionsgaser introduceras till STEM-avbildning. Den nya metoden ger en färdplan för forskare att minska bakgrundsdiffraktion från reaktionsgaser.

Transmissionselektronmikroskopi är en projektionsteknik där en elektronstråle sänds genom ett prov och bildar en bild. Den resulterande bilden kan sedan fokuseras på en bildanordning och analyseras.

Scanning transmissionselektronmikroskopi, kallas STEM, skannar elektronstrålen över provet, snarare än att strålen förblir statisk. Bilden visar elektronspridningen vid varje punkt, ger massan av varje atom. Den högre massan av en atom, desto ljusare blir det i bilden. Detta är känt som Z-kontrasten. Med Z-kontrast, forskare kan avgöra vilka individuella atomer som reagerar i en katalysator.

"Tanken är att du faktiskt kan se hur en katalysator skulle fungera genom att se den på atomär skala, säger Browning, katalysforskare.

Problemet är att när reaktionsgaser tillsätts katalysatorn, den nyligen introducerade gasen förvränger bilden, döljer de reaktioner som sker. För närvarande, det finns lite information om hur man korrekt justerar reaktionsgastrycket i bildkammaren för att producera tydliga och detaljerade observationer.

Zhu och Browning skapade en in situ-miljö i bildkammaren, vilket innebär att materialen är placerade i kammaren. De pumpade sedan in olika reaktionsgaser i kammaren vid olika tryck för att mäta mängden bakgrundsspridning som inträffade i varje bild. Resultatet blev en detaljerad ritning av hur man subtraherar gasernas diffraktion för att skapa tydliga och detaljerade bilder som är redo för tolkning.

"Detta är en metod som kan tillämpas mycket brett för katalysobservationer, " säger Browning. "Vi har gått igenom en detaljerad karaktärisering av hur man gör det så att alla andra som vill göra den här typen av experiment kan göra samma sak och få mycket detaljerade [bilder]."

Nästa steg för Zhu och Browning är att undersöka gastrycksdiffraktionen på olika katalysatorer.