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In Situ / Operando Reaction Imaging & Analysis In situ/Operando 반응 관찰 및 해석 기술

In Situ / Operando Reaction Imaging & Analysis
Gas-cell TEM for observing reactions under gas and heat — AI concept illustration. 가스·열 환경에서 반응을 관찰하는 Gas-cell TEM AI 개념도.

Most electron microscopy captures a frozen snapshot of a material. In situ and operando techniques move beyond that limit, allowing us to follow reactions as atoms, phases, and interfaces reorganize under electrical, thermal, or chemical stimuli. Our real-time studies of alloying anodes connect ion diffusion, reaction-front migration, and volume expansion with the mechanisms that govern material behavior. Building on this experience, we are extending dynamic microscopy to gas-cell experiments and correlative 4D-STEM / EELS analysis of hydrogen and catalyst materials. 대부분의 전자현미경 분석은 소재를 특정 순간에 멈춰 놓은 스냅샷에 기반합니다. In situ/operando 기법은 이 한계를 넘어, 전기·열·화학적 자극에 따라 원자와 상, 계면이 실시간으로 재편되는 모습을 포착합니다. 우리 연구실은 합금계 음극의 반응을 직접 관찰하여 이온 확산, 반응 프론트의 이동, 부피 팽창을 소재의 거동을 지배하는 메커니즘과 연결해 왔습니다. 이러한 경험을 바탕으로 Gas-cell 실험과 4D-STEM·EELS 연계 분석을 확장하여 수소·촉매 소재의 동적 반응을 해석합니다.

Watch reactions unfold

A before-and-after image tells us what changed. In situ microscopy reveals how it changed. By applying electrochemical bias, heat, or a controlled gas atmosphere inside the microscope, we follow reaction fronts, phase transformations, and mechanical deformation as they develop.

Time-resolved observations connect the onset of a reaction with its subsequent pathway. By comparing the same region as conditions change, we can identify transient structures and local bottlenecks that a final-state image cannot capture. The experiment is designed around the timescale and length scale of the process we want to understand.

Revealing ion transport as reactions unfold

Where does a reaction begin, and what controls its advance? Tracking reaction fronts and volume changes in real time connects visible motion with the ion-transport mechanisms inside a material. Our published Sn sodiation studies demonstrate this approach: in situ SEM revealed how crystal orientation, particle size, and deformation shape the reaction. These studies provide a foundation for our expanding work on dynamic reactions in energy materials.

Crystal orientation and reaction behavior

Sn sodiation along three crystal orientations: capturing reaction fronts and expansion in real time.

By comparing crystals with different orientations, we revealed isotropic sodiation behavior and the role of the amorphous reaction layer. ACS Applied Materials & Interfaces (2018).

Size, deformation, and ion transport

0.6 μm Sn pillar
4.0 μm Sn pillar

Comparing reaction behavior across pillar sizes helped reveal how deformation and dislocations affect sodium transport. The study showed that diffusion along dislocations can mitigate self-limiting Na diffusion—connecting a visible reaction to its underlying transport mechanism. Small (2020).

Li–Si/C: revealing the pathway of lithium

Silicon offers high lithium-storage capacity, but its expansion must be understood within the surrounding carbon network. In our Si–C composite anode study, in situ electrochemical measurements and SEM observations revealed a sequential reaction pathway: carbon lithiation → nanopore filling → silicon lithiation and expansion.

In situ SEM sequence showing carbon lithiation, nanopore filling, and silicon expansion

Following lithium through a Si–C composite. Lee, Moon, Byeon et al., ACS Energy Letters (2022), Fig. 4.

The nanopores act as local lithium reservoirs before substantial silicon expansion begins. Connecting voltage, morphology, and pore filling revealed how the internal architecture controls the reaction—providing a basis for designing high-capacity composite anodes. Read the paper.

Gas-cell TEM: reactions under a controlled atmosphere

Gas-cell TEM concept: catalyst evolution under gas and heating

Gas, heat, and an electron beam: tracking catalyst evolution. AI concept illustration.

We build on this experience with open-cell electrochemical experiments, in situ heating, and gas-cell TEM. Our developing hydrogen and catalyst studies combine dynamic imaging, 4D-STEM, and EELS to track morphology, strain, and chemical changes in the same reacting region.

Gas composition and temperature provide experimental handles for testing how a catalyst responds to its environment. By linking structural movies with selected diffraction and spectroscopic measurements, we aim to distinguish reversible transformations from accumulated damage and connect local changes with the conditions that trigger them.

The aim is to explain where a reaction starts, how it propagates, and which structural changes control the outcome—providing a direct basis for designing more durable and reactive materials.

Read about the Gas TEM timing & dose planner: an introduction to comparing gas-switching delays, acquisition intervals and beam blanking, with a link to the interactive tool.

반응이 일어나는 순간을 관찰하다

반응 전후의 사진은 무엇이 달라졌는지 보여줍니다. In situ 전자현미경은 어떻게 달라졌는지 보여줍니다. 현미경 내부에서 전기화학적 자극, 열, 제어된 기체 분위기를 가하며 반응 프론트의 이동, 상변태, 기계적 변형을 실시간으로 추적합니다.

시간에 따른 관찰은 반응의 시작점과 이후의 진행 경로를 연결합니다. 같은 영역을 연속적으로 비교하면 최종 상태의 영상에 남지 않는 일시적인 구조와 국소적인 반응 지연을 확인할 수 있습니다. 이해하고자 하는 현상의 시간·공간 척도에 맞춰 실험을 설계하고, 변화의 순서를 소재 내부의 수송과 구조 재편으로 해석합니다.

반응이 진행되는 순간, 이온 수송의 원리를 읽다

반응은 어디서 시작되고, 무엇이 그 속도와 경로를 결정할까요? 반응 프론트와 부피 변화를 실시간으로 추적하면 눈에 보이는 움직임을 소재 내부의 이온 수송과 연결할 수 있습니다. 아래 Sn 소듐화 영상은 이러한 접근을 보여주는 대표 연구 사례입니다. In situ SEM으로 결정방위·입자 크기·변형이 반응에 미치는 영향을 밝혔으며, 이 분석 경험을 바탕으로 에너지 소재의 다양한 동적 반응으로 연구를 확장하고 있습니다.

결정방위에 따른 반응 거동

세 결정방위에서 관찰한 Sn의 소듐화: 반응 프론트와 팽창을 실시간으로 포착.

서로 다른 방위의 결정을 비교하여 등방성 소듐화 거동과 비정질 반응층의 역할을 규명했습니다. ACS Applied Materials & Interfaces (2018).

크기·변형·이온 수송의 관계

직경 0.6 μm Sn 기둥
직경 4.0 μm Sn 기둥

기둥 크기에 따른 반응 거동을 비교하여 변형과 전위가 Na 수송에 미치는 영향을 분석했습니다. 전위를 따른 확산이 자기제한적 Na 확산을 완화하는 메커니즘을 밝혀, 눈에 보이는 반응을 내부의 수송 경로와 연결했습니다. Small (2020).

Li–Si/C: 리튬이 이동하는 경로를 밝히다

Si는 높은 리튬 저장 용량을 갖지만, 탄소 네트워크 안에서 일어나는 팽창과 반응 경로를 함께 이해해야 합니다. Si–C 복합 음극 연구에서는 in situ 전기화학 측정과 SEM 관찰을 결합하여 탄소의 리튬화 → 나노기공 충전 → Si의 리튬화와 팽창으로 이어지는 순차적 반응을 규명했습니다.

탄소 리튬화, 나노기공 충전, Si 팽창을 보여주는 in situ SEM 연속 영상

Si–C 복합체 내부의 리튬 이동을 추적하다. Lee, Moon, Byeon 외, ACS Energy Letters (2022), Fig. 4.

나노기공은 Si의 본격적인 팽창에 앞서 리튬을 저장하는 국소 저장소로 작동합니다. 전압·형태·기공 충전의 변화를 연결하여 내부 구조가 반응을 어떻게 제어하는지 밝히고, 고용량 복합 음극 설계의 근거를 제시했습니다. 논문 보기.

Gas-cell TEM: 기체 분위기 속 반응을 관찰하다

가스와 열을 제어하며 촉매 변화를 관찰하는 Gas-cell TEM 개념도

가스·열·전자빔을 결합한 촉매 반응 관찰. AI 개념도.

이러한 실시간 관찰 경험을 open-cell 전기화학 실험, in situ 가열, Gas-cell TEM으로 확장합니다. 수소·촉매 연구에서는 동적 이미징·4D-STEM·EELS를 결합하여 반응 중인 동일 영역의 형태·변형률·화학적 변화를 함께 추적하는 분석을 추진합니다.

기체 조성과 온도는 촉매가 반응 환경에 어떻게 응답하는지 검증하는 실험 변수입니다. 구조 변화 영상에 회절·분광 측정을 연결하여 가역적인 변화와 누적되는 손상을 구분하고, 국소적인 반응이 어떤 조건에서 시작되는지 밝히고자 합니다. 형태가 바뀌는 순간과 화학 상태가 바뀌는 순간을 함께 해석하는 방향으로 분석을 발전시킵니다.

반응이 어디서 시작되어 어떻게 진행되는지, 어떤 구조 변화가 결과를 좌우하는지 밝히고, 더 오래 작동하고 효율적으로 반응하는 소재의 설계 근거를 제시합니다.

Gas TEM 가스 전환·선량 계획기 소개: 가스 전환 지연, 촬영 간격 및 빔 차단 효과를 비교하는 방법과 도구 사용법을 블로그에서 소개합니다.