基于原位电子能量损失谱的溶液中纳米粒子表面双电层研究

The eclectic double layer (EDL) polarization is an important property of solid surface in the electrolyte solution. It is important to investigate the interaction between the surface atoms and EDL of the solid in solution to improve its application. However, it is still a challenge to analyze the interaction between surface atoms and EDL of solid in solution, due to the complexity of EDL and limit of characterization techniques..In this project, we will design an in-situ liquid cell based on graphene membrane. An in-situ transmission electron microscopy (TEM) platform for liquid characterization will be set up based on this technique. The electron energy loss spectroscopy (EELS) and mapping of nanoparticles in electrolyte solution will be investigated on the platform. Based on the investigation, we will analyze the effect of EDL to surface electronic structure of solids in solution. Meanwhile, we will characterize the effect of EDL to surface potential of graphene membrane on the solution in the in-situ electrochemical cell by scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM). Other investigations, such as numeric simulation and calculation, will support the EELS characterization of nanoparticle in solution as SKPFM. This project will improve the understanding of the interaction between EDL and surface atoms of nanoparticles in the electrolyte solution. The in-situ liquid cell developed in this project will also be employed in future research.

电解质溶液中固体表面的双电层极化是固液界面的一个重要性质。研究固液界面双电层结构对表面原子的影响，是拓展双电层结构应用的一个重要因素。然而，由于双电层结构的复杂性和测量技术的限制，溶液中固体表面原子与双电层结构的相互作用一直是一个困难的课题。.在本项目中，申请人将设计基于石墨烯的原位液体测量器件，在此基础上建立TEM溶液原位测量平台，测量溶液中不同纳米粒子的电子能量损失谱及其分布，以研究其表面双电层结构对纳米粒子表面原子电子结构的影响。同时，将使用扫描Kelvin探针显微镜在基于石墨烯的原位电化学反应器件上测量双电层结构对石墨烯表面电势的影响，结合数值模拟和理论计算，为正确理解纳米粒子的电子能量损失谱提供支持。上述研究将为深刻理解溶液中纳米粒子表面原子与双电层结构的相互作用提供实验依据和理论指导。项目中发展的原位液体测量方法也将应用于后续表征研究。

水溶液中纳米粒子的物理性质受表面结构和界面特性的影响。其中，表面双电层的影响具有重要的作用。因此，我们开展了关于纳米粒子表面双电层的研究项目。按照原有实验计划，围绕溶液中纳米粒子表面双电层表征技术路线，本项目发展了多项实验技术和数据分析方法，实现了纳米粒子表面双电层极化的微观表征。.在本项目中，开发了三维微流道计算机辅助设计系统，并设计了原位表征器件用于双电层结构表征。基于本课题所设计的原位表征器件，本项目使用SKPFM等技术测量了电解质溶液中纳米粒子表面双电层结构对于石墨烯表面电势的极化作用，完成了本项目的主要研究目标。基于机器学习算法，本项目系统分析了水溶液在电子束辐照作用下的化学反应，并提出了一种化学反应路线分析方案。在数据分析处理方面，本项目基于机器学习提出了基于光流算法TEM图像漂移校正方案，以及能谱数据分析方案。以上技术在服务本项目开展的同时，也将推动显微表征技术和微纳加工技术的发展。在本项目执行期间，发表SCI论文四篇，申请中国发明专利四项，培养研究生四名，另有四篇论文在投。