Atomic-Resolution Spectroscopic Imaging and In Situ Environmental Study of Bimetallic Nanocatalyts

Huolin L. Xin

Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, CA 94720, USA

10:00 a.m. Sep.23th, 2013

2nd Floor Meeting Room, Chemistry Building

Bimetallic nanoparticles are promising candidates for electro- and heterogeneous catalysis because their catalytic activity is frequently superior to their monometallic 

counterparts. However, the additional degree of freedom introduces a new complexity into the mechanism because the distribution of the two metals may vary during 

reaction. For example, preferential adsorption of reactive molecules can induce segregation of one component, structural changes, and elementspecific phase 

transformations. Uncovering the chemistry, structure, and degradation pathways of materials under catalytic conditions is of fundamental importance for establishing 

structure-property relationships and for the design of new catalytic materials. 

Aberrationcorrected scanning transmission electron microscopy (STEM), in combination with electron energy loss spectroscopy (EELS), is exquisitely poised for 

studying structural, compositional, and electronic properties of nanocatalysts. The enlarged numerical aperture coupled with the use of a coldfieldemission gun allows

 for the acquisition of 2D compositional and bonding maps of both bulk and nanostructured materials at atomic resolution. Additionally, the development and inclusion

 of differentially-pumped gas cells inside a transmission electron microscope (TEM) permits the visualization of solidgas chemical reactions 

in situ. Imaging atomicscale reaction dynamics and the acquisition of spectroscopic fingerprints allows us to reveal reaction pathways that

 cannot be resolved by any other approach. Here, I will provide background on our techniques, including STEM, EELS, electron tomography, and in 

situ environmental methods, and I will show how the surface and internal structures of Pttransition metal bimetallic nanocatalysts reconstruct in response to 

annealing, acid leaching, operational aging, gas oxidation, and reduction. I will also discuss the current challenges and future prospects for quantitative 

environmental TEM.