A observação in situ e o registro de importantes reações eletroquímicas em fase líquida em dispositivos de energia são cruciais para o avanço da ciência energética. Uma equipe de pesquisa liderada por um estudioso da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu recentemente um novo e minúsculo dispositivo para conter espécimes líquidos para observação por microscopia eletrônica de transmissão (TEM), abrindo a porta para visualizar e registrar diretamente reações eletroquímicas complexas em nanoescala em em tempo real em alta resolução. A equipe de pesquisa acredita que este método inovador lançará luz sobre estratégias para a fabricação de uma poderosa ferramenta de pesquisa para desvendar os mistérios dos processos eletroquímicos no futuro.
O uso do TEM convencional é limitado a amostras finas, estáveis e sólidas por causa do ambiente de vácuo (um ambiente de vácuo impede que os elétrons sejam absorvidos ou desviados ao longo de seus caminhos e afetem a observação) na câmara para segurar os espécimes. As amostras líquidas são incompatíveis com o vácuo, portanto não podem ser sondadas diretamente no TEM tradicional. Felizmente, com o surgimento da “célula líquida TEM” in-situ mais avançada, é possível estudar os processos dinâmicos da fase líquida in-situ, como observar a nucleação e o crescimento de cristais em solução, reações eletroquímicas em dispositivos de energia e as atividades da vida de células vivas. A “célula líquida” é um componente central do TEM para manter as amostras para o feixe de elétrons passar, permitindo assim a observação in-situ. Mas é um desafio fabricar uma célula de líquido de alta qualidade para TEM porque envolve a incorporação de eletrodos e o encapsulamento de eletrólitos em uma pequena célula de líquido “fechada” para evitar vazamentos e conectá-la a uma fonte de energia externa ao mesmo tempo.
Uma equipe de pesquisa co-liderada pelo Dr. Zeng Zhiyuan, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da CityU, e pelo professor Li Ju, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), desenvolveu com sucesso um método eficiente e inovador para fabricar materiais eletroquímicos “fechados”. células líquidas, que podem melhorar muito a resolução do TEM com amostras líquidas.
“A recém-desenvolvida célula líquida fechada executa duas tarefas principais: (1) encerrando as amostras líquidas em um recipiente fechado, separando-as assim do ambiente de vácuo do microscópio; e (2) confinando as amostras líquidas a uma camada líquida suficientemente fina usando dois elétrons – nitreto de silício transparente (SiNx) janelas, para que os elétrons possam viajar através da camada líquida e visualizar as reações”, explicou o Dr. Zeng.
Para fabricar as células líquidas eletroquímicas “fechadas” de alto desempenho neste protocolo, a equipe de pesquisa usou técnicas avançadas de nanofabricação, incluindo fotolitografia, para fabricar o componente principal do TEM líquido in situ – a célula líquida. A fotolitografia é um processo que usa luz ultravioleta para transferir um desenho geométrico de uma máscara óptica para um produto químico sensível à luz (fotoresistente) revestido no substrato.
A equipe fabricou o chip inferior e o chip superior separadamente e depois os montou. Eletrodos de ouro ou titânio foram depositados no chip inferior durante o processo de deposição de metal. Em seguida, o eletrólito foi carregado e selado dentro da célula de líquido.
Usando esta célula líquida inovadora com o microscópio eletrônico de transmissão, as reações eletroquímicas dinâmicas da amostra líquida na superfície do eletrodo podem ser registradas em tempo real em alta resolução através do sistema operacional TEM incorporado com uma câmera de alta resolução espaço-temporal.
“A célula líquida eletroquímica projetada pelo nosso método de nanofabricação personalizado tem SiN mais finox janelas de imagem (35 nm) do que as comerciais (50 nm)”, explicou o Dr. Zeng. “Também possui uma camada líquida mais fina (150 nm) do que as comerciais (1.000 nm). O mais fino SiNx janelas de imagem e camada líquida mais fina garantem que nossa célula líquida fabricada possa capturar reações eletroquímicas com melhor resolução espacial TEM do que as células comerciais podem.”
A equipe acredita que muitas oportunidades e aplicações para a observação in-situ TEM de reações eletroquímicas surgirão logo após o desenvolvimento da célula eletroquímica líquida com a seleção de eletrodos de metal padronizados e os eletrólitos líquidos encapsulados na célula líquida.
Este protocolo de fabricação recém-proposto também pode ser utilizado em outras técnicas in-situ além do TEM. Por exemplo, um ajuste adequado a este protocolo seria adequado para a fabricação de células líquidas eletroquímicas para caracterizações de raios-X in-situ de reações eletroquímicas (espectroscopia de absorção de raios-X, difração de raios-X, etc.).
Com informações de Science Daily.