Je leest:

Verbeterde elektronenmicroscoop ziet chemie op atomaire schaal

Verbeterde elektronenmicroscoop ziet chemie op atomaire schaal

Auteur:

Onderzoekers van de TU Delft presenteren een nanoreactor voor gebruik in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) die materialen met hoge precisie in beeld kan brengen. Met de combinatie van nanoreactor en TEM blijkt het mogelijk chemische processen zoals katalyse op sub-nanoniveau te volgen. Dat is bijna de schaal van individuele atomen. Dr.ir. Fredrik Creemer, die de nanoreactor ontwikkelde, hield vandaag in Delft een lezing op een minisymposium over nano-imaging onder industriële omstandigheden. Een eerste publicatie over het onderzoek is inmiddels online verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Ultramicroscopy.

Met de nieuwe nanoreactor is een belangrijk obstakel overwonnen bij het gebruik van de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) in onderzoek naar chemische processen onder industriële omstandigheden. De TEM werkt doorgaans namelijk het best bij sterk verlaagde druk, terwijl de chemie van bijvoorbeeld katalytische omzettingen onder atmosferische omstandigheden of hoge druk plaatsvindt.

Transmissie elektronenmicroscoop van de Nederlandse fabrikant FEI.

In de elektronenmicroscoop is sprake van hoogvacuüm om de elektronenbundel ongehinderd naar het te bestuderen preparaat te kunnen leiden. Het is belangrijk om botsingen van de elektronen met andere moleculen te vermijden, omdat die het microscoopbeeld ernstig verstoren. De afbeelding van zeer kleine details, waar de TEM juist om bekend staat, is dan niet meer mogelijk.

Dr.ir. Fredrik Creemer heeft nu een manier ontwikkeld om dit probleem te omzeilen, zodat het toch mogelijk is om met de TEM het gedrag van materialen onder invloed van chemische reacties te bestuderen. In de eerste experimenten is al gebleken dat daarbij details van sub-nanometer niveau zichtbaar zijn te maken, tot op de schaal van individuele atomen.

Nanoreactor

Creemers oplossing is een minuscule reactor die in de TEM te schuiven is. Binnen in die ‘nanoreactor’ stromen gassen langs een vast materiaal, een katalysator bijvoorbeeld, onder condities die bij veel chemische reacties in de praktijk voorkomen. De temperatuur kan daarbij oplopen tot vijfhonderd graden Celsius en de druk tot even boven 1 atmosfeer.

Foto van de nanoreactor gemonteerd in de houder voor de TEM. Foto: Fredrik Creemer, TU Delft

De reactor bestaat uit een rechthoekig stromingskanaaltje met twee vensters die de elektronenstraal van de microscoop doorlaten. Om de verstorende botsingen met gasmoleculen tot een minimum te beperken, maakte Creemer de reactor extreem dun. Dankzij fabricagetechnieken uit de chipindustrie is de hoogte slechts veertig micrometer. De reactor is een milimeter breed. Geïntegreerde micro-verwarmingselementen zorgen voor de verwarming van de reactorinhoud.

Omdat de vensters zelf ook voor verstoring van de elektronenbundel kunnen zorgen zijn ze gemaakt uit siliciumnitride, dat zeer transparant is voor elektronen. Bovendien slaagde Creemer er in de vensters extreem dun te maken: ongeveer 10 nanometer. In de praktijk bleek dat materialen in de reactor vrijwel even gedetailleerd onderzocht kunnen worden als preparaten die op de gebruikelijke manier onder vacuümcondities in de TEM worden gebracht (0,18 vs. 0,14 nanometer).

Schematische weergave van de nanoreactor. Beeld: Fredrik Creemer, TU Delft

Tot in detail

De combinatie van de TEM met de nieuwe nanoreactor werd geëvalueerd aan de hand van onderzoek aan een koper-zinkoxide katalysator Cu/ZnO. Deze wordt onder andere toegepast bij de synthese van methanol en bij de omzetting van koolwaterstoffen in brandstofcellen. Het bleek mogelijk de vorming en de structuur van de koper-nanokristallen op de zinkoxide drager tot in detail waar te nemen.

Bij de vorming van de koperdeeltjes wordt waterstofgas gebruikt bij een druk van 1,2 bar en een temperatuur van vijfhonderd graden. Het bleek onder die omstandigheden mogelijk de vorming van de koperdeeltjes gedetailleerd in kaart te brengen.

De chemici verwachten daarmee inzicht verwerven dat nodig is om tot een optimale katalysator te komen. Daarbij gaat het er om deeltjes van precies de juiste grootte te maken, die zo goed mogelijk verdeeld zijn over het drageroppervlak.

Bij het ‘inzoomen’ op de nanokristallen van zuiver koper bleek de kracht van de ETEM tot het weergeven van details, bijna tot op het niveau van afzonderlijke atomen. De aanwezige kristalvlakken bleken duidelijk in beeld te brengen, waarbij de kleinst gemeten afstand 0,18 nanometer bedroeg.

Opname van een koperdeeltje op de zinkoxide drager. Het deeltje is ongeveer 12,5 nanometer in doorsnede. De grijze streepjes vormen de weerslag van de kristalroosters in de materialen. Beeld: Fredrik Creemer, TU Delft.

Enthousiast

Creemer, die in december 2005 een VENI subsidie kreeg van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO, voert zijn onderzoek uit bij het Delftse Instituut voor Microsystemen en Nanoelektronica (DIMES), samen met prof.dr. Henny Zandbergen van het Nationaal Centrum voor Hoge Resolutie Elektronenmicroscopie (ook gevestigd bij de TU Delft, binnen het Kavli Instituut voor NanoScience).

Bij de studie van de ‘performance’ van de reactor werd nauw samengewerkt met de Deense katalysatorfirma Haldor Topsøe, die onlang toetrad tot het onderzoeksconsortium Nano-Imaging under Industrial Conditions (NIMIC). Dr.ir. Alfons Molenbroek van Haldor Topsøe toont zich in een nieuwsbericht van de TU Delft enthousiast over de TEM-met-nanoreactor: “Dit geeft ons veelbelovende nieuwe mogelijkheden om de structuur en activiteit van katalysatoren te begrijpen onder industrieel relevante condities.”

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van TU Delta.
© TU Delta, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 juli 2008

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE