[发明专利]一种液体环境中纳米气泡原位表征的方法

说明书

本发明公开了一种液体环境中纳米气泡原位表征的方法。包括以下步骤：（1）于金属载网上沉积石墨烯薄膜得到石墨烯载网；（2）于石墨烯载网表面镀一层金属薄膜；（3）加热使得金属薄膜熔化再降温，使石墨烯载网表面形成金属纳米颗粒；（4）将所得石墨烯载网进行表面改性处理；（5）将水溶液滴加在石墨烯载网上；（6）取另一片石墨烯载网石墨烯薄膜面朝下覆盖在滴加水溶液的石墨烯载网上得到石墨烯液体池；（7）将石墨烯液体池经真空检漏后放入透射电镜中，利用电子束辐解水产生纳米气泡并对纳米气泡进行原位表征。该方法具有时间和空间分辨率高、不引入其他杂质等优势，为探究纳米气泡以及气/液/固表界面性质等提供了新的研究手段。

技术领域

本发明涉及纳米加工及表征领域，具体涉及一种在液体中原位生成与表征纳米气泡的方法。

背景技术

气泡在我们日常生活中随处可见，纳米气泡通常是指直径小于1 μm的气泡，在矿物浮选、超声造影和污水处理等方面有巨大应用前景。此外，对于有气体参与的反应，例如燃料电池、电解水析氢和光催化等反应，在纳米尺度气体多以纳米气泡的形式参与反应。理解纳米气泡的理化特性、动力学机制、气/液/固表界面性质对纳米气泡应用，及调控含气体的多相反应具有及其重要的意义。但是由于研究手段的局限性，目前对气泡动力学的研究工作大多停滞在微米及毫米尺度，缺乏在纳米甚至原子尺度对气泡的直观动态观察。气泡成核理论和稳定性机制仍存在很多疑问。例如根据不同的计算模型纳米气泡临界半径相差至少一个数量级，理论成核率和成核过饱度通常高于实验观察值。根据杨氏-拉普拉斯方程，对于小于1 μm的气泡，由于其其高的内部压力应很快收缩消失，理论预测其存在时间不超过0.02 s。然而，2000年Lou等人使用原子力显微镜成像对纳米气泡成像确定了纳米气泡可以稳定存在。为了解释实验现象与经典理论预测相左的情况，人们提出了多种纳米气泡稳定机制，包括污染物钉扎、静电理论、多体模型和动态平衡理论。但这些模型或被证明不具有普适性，或缺乏实验证据支撑。

目前纳米气泡制备常用的方法包括溶液替换法、电化学法、超声法、加压减压法、浸渍自发生法等。这些方法无法实现在制备纳米气泡的同时对纳米气泡进行高分辨率的原位的表征。近年来，多种原位表征技术已被用于研究纳米气泡在溶液中的动态行为并取得了一定的进展，但是仍然存在局限性。例如，原位谱学方法无法获取纳米气泡的形貌信息；原位光学成像方法的空间分辨率较低；原子力显微镜可以获得较高的空间分辨率，但是其时间分辨率有限，且可能对气泡造成损伤。透射电子显微镜可以获得超高的时间、空间分辨率，且可以获取材料的化学成分信息，在纳米材料表征方面具有独一无二的优势。但透射电镜需要工作在高真空环境，无法直接表征液体或气体。原位液体环境透射电子显微镜技术，是将液体样品密封在通过微纳制造技术加工形成的液体池中，然后放进透射电镜观察，在动态研究溶液中纳米颗粒生长、刻蚀、自组装以及电化学性质领域有很多突破性成果。目前常用的液体池为氮化硅薄膜液体池和超薄碳膜液体池。氮化硅薄膜液体池其窗口厚度一般大于10 nm，且获得的液层较厚，分辨率受限。超薄碳膜液体池可以获得较高分辨率，但碳膜的机械性能和稳定性较差，不耐长时间电子束辐照，容易造成溶液和气体泄露。且超薄碳膜液体池难以直接密封纯水溶液，为了提高成功率需要在溶液中混合纳米颗粒，在上下层碳膜间形成支撑包覆水溶液。化学方法制备的纳米颗粒水溶液不可避免引入表面配体等杂质，影响后续纳米气泡的制备和表征。因此开发一种具有高稳定性，可原位生成和高分辨表征纳米气泡的方法，具有重要意义和广泛的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种可以原位制备并进行高分辨表征纳米气泡的方法，同时解决了现有液体池制备方法很难兼顾机械稳定性和成像分辨率的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液体环境中纳米气泡原位表征的方法，该方法包括以下具体步骤：

（1）选取透射电镜金属载网；

（2）于金属载网上沉积石墨烯薄膜得到石墨烯载网；

（3）在石墨烯载网表面镀一层金属薄膜；

（4）加热使得金属薄膜熔化再降温，使石墨烯载网表面形成金属纳米颗粒；