[发明专利]一种扫描化学反应显微成像的方法及应用

说明书

本发明公开了一种扫描化学反应显微成像的方法及应用，属于材料测试仪器技术领域。利用可以精确扫描和定位的中空纳米探针进行样品表面化学反应物种的微区采样，结合采样物种的精准转移和高灵敏质谱探测分析，实现固体表面化学反应性能的显微成像研究。该系统包括中空纳米探针精确定位和扫描功能、中空纳米探针的微区采样功能、微区采样的精准转移功能、高效和高选择性采样物种的电离功能、高灵敏和高分辨离子分析和探测功能、样品表面环境和反应气氛控制功能。这是一种对表面化学反应物种包括原子、分子、自由基等在表面X、Y、Z三个维度上的分布进行空间分辨探测的方法，实现具备几百到几十纳米分辨的表面或界面化学反应性能的显微成像功能。

技术领域

本发明涉及一种扫描化学反应显微成像的方法及应用，属于材料测试仪器技术领域。

背景技术

对能源化学和多相催化本质的理解及其过程的调控需要面对以下两个方面的挑战：1)能够对处于工作状态的能源材料和固体催化剂的表界面结构进行原位动态和高分辨表征；2)能够对固体表面上生成的产物分子和反应中间体(例如自由基)在该表面X、Y、Z三个维度上的分布进行高分辨和高灵敏的探测。固体催化剂的活性表界面结构具有纳米尺度、动态变化等特征，因此催化剂结构的原位动态表征迫切需要在高空间分辨状态下进行(R.Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,3465；G.Ertl,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,3524.)。事实上能源材料和催化剂的表界面表征在过去几十年已经取得许多重大进展。例如，扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope/SPM)和电子显微镜(ElectronMicroscopy/EM)等技术能够在纳米甚至原子尺度上揭示处于工作状态下的催化剂的活性结构(P.Jiang P,et al.,Acc.Chem.Res.2015,48,1524)。对于活性结构表面上发生的化学反应所涉及到的反应物物种和生成物物种(包括原子、分子、自由基等)的探测当前多采用色谱、质谱等方法；这些检测分析过程仍然是在宏观尺度和统计平均的水平上(Ensemble-averaged)进行，因此对于反应性能的表征还远不具备空间分辨的能力。而在能源化学和催化研究中只有将表界面活性结构的认识和该活性结构上发生的化学反应性能直接关联起来才能从本质上理解能源转化和催化作用本质，因此对能源转化和催化等表面上发生的重要化学反应性能的表征也迫切需要实现空间分辨。