原位透射電鏡得到巨大的發(fā)展，為材料科學(xué)家、化學(xué)家提供了一種原子尺度下，原位觀察材料化學(xué)反應(yīng)和轉(zhuǎn)變的新方法。隨著原位透射電鏡的發(fā)展，科學(xué)家也可利用其進(jìn)一步理解納米材料化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。

原位透射電鏡的作用

　　對(duì)比其他原位表征手段，原位透射電鏡具有高的分辨率，可與其他技術(shù)聯(lián)用等優(yōu)勢(shì)，引起研究者們的廣泛關(guān)注。原位透射電鏡在材料合成，化學(xué)催化，生命科學(xué)和能源材料領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，可以通過(guò)在原子尺度下實(shí)時(shí)觀察和控制氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)的進(jìn)行，從而研究反應(yīng)的本質(zhì)機(jī)理。

　　氣相和液相化學(xué)反應(yīng)在材料科學(xué)和工程中涉及到各種領(lǐng)域的研究，如材料傳感器、能源的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、化學(xué)催化等。環(huán)境透射電鏡(ETEM)因其超高的空間分辨率為原位觀察氣相、液相化學(xué)反應(yīng)提供了一種重要的方法。研究者們利用原位透射電鏡(in situ TEM)進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和納米材料的轉(zhuǎn)變過(guò)程，以期望從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)理解、調(diào)控和設(shè)計(jì)材料的合成。通過(guò)外部引入光、電、熱信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)原位觀察氣相、液相反應(yīng)的材料行為和反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)與其他技術(shù)的聯(lián)用，如光譜、氣相色譜、GX液相色譜等，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)、定量定性的原位觀測(cè)。目前，原位電子顯微技術(shù)已在材料合成、化學(xué)催化、能源應(yīng)用和生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

原位透射電鏡在氣相反應(yīng)的應(yīng)用

　　氣相反應(yīng)因其在多領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們的廣泛關(guān)注。很多化學(xué)反應(yīng)是在催化劑輔助下，氣相條件下發(fā)生的。對(duì)于納米材料和生物分子，原位透射電鏡觀察可以得到更多重要的信息。因此，原子尺度下原位研究氣相反應(yīng)，特別是氣固界面的反應(yīng)，可以幫助研究者們進(jìn)一步理解材料的合成，性能及用途。

　　1、原位觀察氣固液生長(zhǎng)納米線

　　在氣固液反應(yīng)過(guò)程中，氣相擴(kuò)散提供前體物質(zhì)，形成液體共熔體，再生長(zhǎng)成納米晶種，Z后生長(zhǎng)成納米線。而金屬氧化物的納米線生長(zhǎng)機(jī)理有別于此。CuO納米線的生長(zhǎng)通過(guò)末端層層生長(zhǎng)形成。

　　2、奧斯瓦爾德熟化

　　顆粒基納米材料具有很高的活性，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于燒結(jié)熟化過(guò)程中表面活性能的巨大損失，顆粒逐漸消失。其就表現(xiàn)出大的顆粒越來(lái)越大，小的顆粒越來(lái)越小，Z后消失的現(xiàn)象。

　　3、氣相CO氧化

　　金屬及其氧化物被廣泛用于CO的催化氧化反應(yīng)。在氧化過(guò)程中，在納米顆粒表面主要發(fā)生如下現(xiàn)象：由于氧氣擴(kuò)散進(jìn)入材料中，在次外層形成氧化層;由于催化劑優(yōu)先吸附CO分子，熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)納米材料表面重組。催化劑表面的反應(yīng)氣體會(huì)改變催化劑表面對(duì)氣體的吸附，進(jìn)一步改變其表面能，從而使納米顆粒發(fā)生表面重組。

　　4、光催化降解水

　　研究者們通過(guò)透鏡或光纖在原位透射電鏡中引入光學(xué)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)原位觀察納米材料在光催化過(guò)程中的變化。TiO2光催化降解水的過(guò)程中，暴露在外面的晶面會(huì)從有序狀態(tài)逐漸變?yōu)闊o(wú)序的。通過(guò)XPS的分析，在TiO2無(wú)定形表面層監(jiān)測(cè)到Ti3+組分，表明TiO2光催化降解水的過(guò)程中，涉及到TiO2的氧化還原過(guò)程。

原位透射電鏡在液相反應(yīng)的應(yīng)用

　　原位透射電鏡可以在納米尺度下觀察液體中的化學(xué)反應(yīng)，得到了巨大發(fā)展。原位透射電鏡已經(jīng)在材料合成、生命科學(xué)和能源材料領(lǐng)域得到了運(yùn)用。

　　1、高能電子束對(duì)液相原位透射電鏡的影響

　　原位透射電鏡在觀察液相反應(yīng)時(shí)，高能電子束的散射作用比氣相反應(yīng)中更明顯，研究者們?yōu)闇p少其散射，提高分辨率做了大量工作。此外，電子束穿過(guò)液體池時(shí)，還有可能也液相分子相互作用，產(chǎn)生各種各樣的副產(chǎn)物。以水為例，其可能產(chǎn)生H2、H2O2、H3O+和 HO2-，從而發(fā)生人們所不想要的化學(xué)反應(yīng)。

　　2、原位透射電鏡在材料合成領(lǐng)域的應(yīng)用

　　研究者們利用原位透射電鏡觀察到了多種納米材料形成的過(guò)程：①在納米材料的生長(zhǎng)成核過(guò)程中，有直接從晶核生長(zhǎng)形成的，也有先形成晶簇，通過(guò)晶簇間的相互作用形成的;②納米粒子相互連接，進(jìn)一步形成納米材料;③形成納米線或納米棒時(shí)，發(fā)生的是定向聯(lián)結(jié)的過(guò)程;④形成納米核殼結(jié)構(gòu)時(shí)，可能發(fā)生的是層層生長(zhǎng)，孤立生長(zhǎng)或者層與特定層間的相互作用;⑤形成納米立方體時(shí)，會(huì)發(fā)生比較明顯的晶面選擇性生長(zhǎng);⑥納米材料與特定離子的作用會(huì)發(fā)生選擇性刻蝕。

　　3、原位透射電鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　研究者們通過(guò)重金屬納米顆粒標(biāo)記生物樣品，如蛋白、細(xì)胞等，利用原位透射電鏡觀察其在液體中的行為，而且也可以用半導(dǎo)體納米粒子代替重金屬顆粒，如量子點(diǎn)。通過(guò)類(lèi)似的方法，研究者還原位觀察到液體相中蛋白質(zhì)為模版生成氧化鐵的成核過(guò)程。

　　4、原位透射電鏡在能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在發(fā)展儲(chǔ)能材料中，觀察化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)對(duì)于優(yōu)化和設(shè)計(jì)材料的合成是至關(guān)重要的。研究者們可以利用原位透射電鏡觀察鋰離子電池的穩(wěn)定性，在通電過(guò)程中，觀察到了電極材料的局部缺陷。對(duì)于燃料電池，研究者們利用原位透射電鏡觀察燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，催化劑的變化過(guò)程，提出了三類(lèi)的降解機(jī)理：①碳腐蝕;②團(tuán)聚;③鉑的溶解與再生長(zhǎng)。