Liquid electrochemistry

简介

透射电镜液体电化学原位系统通过MEMS芯片对液体薄层或纳米电池系统施加电信号等，结合EDS、EELS、SAED、HRTEM、STEM等多种不同模式，实现从纳米甚至原子层面实时、动态监测电极、电解液及其界面在工况下的微观结构演化、反应动力学、相变、元素价态、化学变化、微观应力以及表/界面处的原子级结构和成分演化等关键信息。

应用案例

Design of liquid-cell EC-TEM to investigate the interfacial reactions of LiPSs.

Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries

Nature 621, 75–81 (2023)

Diffusion dynamics of single ions showing local reciprocating ion hopping motion.

Observing ion diffusion and reciprocating hopping motion in water

SCIENCE ADVANCES.28 Jul 2023.Vol 9, Issue 30

原位液相TEM在Ti和Au电极上进行Mg阴极电化学沉积的研究

通过使用原位液体透射电子显微镜（TEM），扫描透射X射线显微镜（STXM）和X射线吸收原位检查样品区域来报告使用多峰方法在Ti和Au电极上进行Mg阴极电化学沉积的研究（XAS）。合成了氯化镁铝配合物并用作电解质，在原位充放电循环中观察到了不可逆的特征。在充电过程中，均匀的Mg膜沉积在电极上，这与Mg离子电池中Mg沉积的固有非树突性质一致。在随后的放电过程中，Mg薄膜不可溶。我们通过原位STXM和XAS发现这种Mg薄膜是六配位的Mg化合物。这项研究提供了有关镁离子电池不可逆性问题和失效机理的见解。同样，我们的方法提供了一种新颖的通用方法，无需任何进一步的样品处理即可了解原位电池化学，从而可以保留电池材料或电沉积材料的原始特性。这种多模式原位成像和光谱学为解决跨越长度和时间尺度几个数量级的复杂问题提供了许多机会，这些问题可以应用到广泛的能量存储系统中。

随着时间延长的Mg二维薄膜生长过程

镁膜在金电极上生长的连续图像

原位TEM金电极电化学反应

原位TEM钛电极电化学反应

Wu, Y. A. et al. In-situ Multimodal Imaging and Spectroscopy of Mg Electrodeposition at Electrode-Electrolyte Interfaces. Scientific Reports 7, 42527, doi:10.1038/srep42527

电化学迁移过程中铅枝晶的结构和形态演变

通过透射电子显微镜 (TEM) 使用偏置液体电池原位研究了浸入硝酸铅水溶液中的金电极上铅的电化学沉积和溶解。我们实时研究了在施加电位下沉积在电极上的铅枝晶的生长机制。TEM 图像显示，铅枝晶是由电解液中铅枝的快速突出和尖端分裂形成的。并且，枝晶枝的快速生长尖端由多晶纳米晶粒组成，最终发展为单晶枝。本研究通过随机取向的小晶粒的成核、聚集、排列和附着，证明了单晶枝晶的独特电化学生长。此外，我们发现电解液中的铅浓度会极大地影响枝晶形成的形态。

铅枝晶在生长和溶解过程中的轨迹

充电周期期间枝晶的尺寸和形状演变

铅枝晶生长过程

Sun, M., Liao, H.-G., Niu, K. & Zheng, H. Structural and Morphological Evolution of Lead Dendrites during Electrochemical Migration. Scientific Reports 3, 3227, doi:10.1038/srep03227

原位TEM研究PbSe纳米晶体在空气中的降解

由于各种潜在的应用，PbSe 纳米晶体引起了广泛的关注。然而，这些纳米晶体的实际应用受到空气稳定性差的阻碍，这会导致光学和电子特性发生不希望的变化。了解 PbSe 纳米晶体在暴露于空气时的降解对于提高稳定性和增强其应用至关重要。该研究中，作者使用原位透射电子显微镜 (TEM)与空气相连的环境池，用于研究由空气暴露引发的 PbSe 纳米晶体降解。作者还进行了一系列补充研究，包括暴露于纯氧的 PbSe 纳米晶体的原位环境 TEM 研究、使用液体池在 H2O 中的 PbSe 纳米晶体、异位实验。原位观察表明，当 PbSe 纳米晶体在电子束照射下暴露于空气（或氧气）时，它们会经历一系列变化，包括单个纳米晶体与长方体中间体的形状演变、纳米晶体之间的聚结以及 PbSe 薄膜的形成通过剧烈的固态融合。进一步的研究表明，PbSe 薄膜转变为非晶态富 Pb 相或最终变为纯 Pb，这表明 Se 与氧反应并可以在电子束照射下蒸发。这些各种原位和非原位实验结果表明，空气中的 PbSe 纳米晶体降解是由 PbSe 纳米晶体表面的配体解离和去除引起的。