JP2013200123A - Cell for electrochemical measurement and electrochemical measurement system - Google Patents

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Toshihiro Igai
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell for electrochemical measurement and an electrochemical measurement system, which are favourable for the observation of a sample, for example, a fuel cell electrode catalyst such as Pt catalyst.SOLUTION: A cell for electrochemical measurement 10 comprises: a base plate 3 including an electron beam transmissive thin film 1 and a stiffened plate 2; an electrode pair including a gold electrode 5 and a platinum electrode 4 that are mounted on the thin film 1 of the base plate 3; a surrounding frame 6 surrounding the electrode pair on the thin film 1; an electrolytic solution ES sealing the electrode pair in a space that is surrounded on the thin film 1 by the surrounding frame 6; a lid 9 arranged above the surrounding frame 6 and including an electron beam transmissive thin film 7 and a stiffened plate 8. Observation windows 8a and 2a are formed by hollowing respective positions of the stiffened plates 8 and 2 of both the lid 9 and the base plate 3, each corresponding to the gold electrode 5. A sample S in contact with the gold electrode 5 can be observed through the observation windows 8a and 2a, and an electron beam EB can penetrate the corresponding observation windows 8a and 2a and the sample S between the observation windows.

Description

本発明は試料の電気化学的な変化を観察するための電気化学測定システムと、この測定システムに含まれる電気化学測定用セルに関するものである。   The present invention relates to an electrochemical measurement system for observing an electrochemical change of a sample, and an electrochemical measurement cell included in the measurement system.

たとえば燃料電池用の触媒の合成や活性、劣化のメカニズムを知ることは新規な触媒を開発する上で重要な指針となる。   For example, knowing the mechanism of synthesis, activity, and deterioration of a catalyst for a fuel cell is an important guideline for developing a new catalyst.

ところで、現在は溶液中の試料をIn-situでTEM(透過型電子顕微鏡)観察することはできるものの、試料の電位を測定することができないために、たとえば、燃料電池用の触媒試料が溶出を開始する電位を精緻に確認できないのが現状である。なお、観察の際の解像度が低いこともまた、触媒溶出の電位確認を阻害している要因となっている。   By the way, although a sample in a solution can be observed in-situ by TEM (transmission electron microscope), the potential of the sample cannot be measured. For example, a catalyst sample for a fuel cell is eluted. The current situation is that the potential to start cannot be precisely confirmed. In addition, the low resolution at the time of observation is also a factor that inhibits the potential confirmation of catalyst elution.

上記課題の原因を分析するに、電極上に試料を載せることで電位の測定が可能となる一方で、電極上に試料が載せられているために電子線が透過できず、結果としてTEM観察ができないことが最大の要因である。   To analyze the cause of the above problem, it is possible to measure the potential by placing a sample on the electrode, but the electron beam cannot be transmitted because the sample is placed on the electrode. The inability to do so is the biggest factor.

一方、解像度に関しては、液注入されているセルにおいては液や観察窓によって電子線が吸収され易く、その結果として解像度が低下することが要因である。   On the other hand, regarding the resolution, in the cell into which the liquid is injected, the electron beam is easily absorbed by the liquid and the observation window, and as a result, the resolution is lowered.

本発明者等は、これらの課題を解消しながら、特に試料としてPt触媒等の燃料電池用の電極触媒の電気化学的変化をリアルタイムで観察することを主目的として、特に透過型電子顕微鏡を用いて観察する際の電気化学測定用セルの開発をおこなってきた。   While solving these problems, the present inventors mainly used a transmission electron microscope for the main purpose of observing in real time electrochemical changes of electrode catalysts for fuel cells such as Pt catalysts as samples. We have been developing electrochemical measurement cells for observation.

ここで、特許文献1には、開口部を有する試料保持部材でイオン液体を保持し、そこに試料を投入してイオン液体中に試料を浮かして透過型電子顕微鏡で観察する方法が開示されている。この観察方法によれば、試料を変形させずに試料そのものの形状を観察することができるとしている。しかしながら、Pt触媒等の燃料電池用の電極触媒の電気化学的変化の観察を対象としたものでないために、当該電極触媒の電気化学的変化を観察するのに適したセル構成とはなっていない。具体的には、電極素材が明確でないためにPt触媒の電気化学的変化を観察できるか否かが不明であり、電極に試料触媒が接した状態で電子線が透過できる構成となっていないために試料触媒の電気化学的変化を観察できるか否かが不明であるといったことが挙げられる。   Here, Patent Document 1 discloses a method in which an ionic liquid is held by a sample holding member having an opening, a sample is put therein, the sample is floated in the ionic liquid, and observed with a transmission electron microscope. Yes. According to this observation method, the shape of the sample itself can be observed without deforming the sample. However, since it is not intended for observing electrochemical changes in electrode catalysts for fuel cells such as Pt catalysts, the cell configuration is not suitable for observing electrochemical changes in the electrode catalyst. . Specifically, since the electrode material is not clear, it is unclear whether or not the electrochemical change of the Pt catalyst can be observed, and it is not configured to allow transmission of an electron beam with the sample catalyst in contact with the electrode. In addition, it is unclear whether or not the electrochemical change of the sample catalyst can be observed.

特開2009−266741号公報JP 2009-266741 A

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、たとえばPt触媒等の燃料電池用の電極触媒をはじめとする試料の電気化学的変化の観察に好適な電気化学測定用セルと電気化学測定システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. For example, an electrochemical measurement cell and electrochemical measurement suitable for observing electrochemical changes in a sample including an electrode catalyst for a fuel cell such as a Pt catalyst. The purpose is to provide a system.

前記目的を達成すべく、本発明による電気化学測定用セルは、電気化学測定用セルであって、電子線透過性の薄膜と補剛板からなる基板と、基板の薄膜上に載置された金電極および白金電極からなる電極対と、薄膜上で該電極対を包囲する囲い枠と、囲い枠で包囲された薄膜上の空間で電極対を封止する電解液と、囲い枠の上方に配された蓋であって電子線透過性の薄膜と補剛板かなる蓋と、から構成され、前記蓋と前記基板双方の補剛板はともに、前記金電極に対応する位置がくり貫かれて観察窓を形成しており、金電極に接する試料が観察窓から確認できるとともに、対応する観察窓とその間にある試料を電子線が透過できるようになっているものである。   In order to achieve the above object, an electrochemical measurement cell according to the present invention is an electrochemical measurement cell, and is placed on a substrate made of an electron beam-permeable thin film and a stiffening plate, and on the thin film of the substrate. An electrode pair composed of a gold electrode and a platinum electrode, an enclosure frame that surrounds the electrode pair on the thin film, an electrolyte solution that seals the electrode pair in a space on the thin film surrounded by the enclosure frame, and an upper part of the enclosure frame A lid formed of an electron beam transmissive thin film and a stiffening plate, and the stiffening plates of both the lid and the substrate are cut out at positions corresponding to the gold electrodes. The observation window is formed so that the sample in contact with the gold electrode can be confirmed from the observation window, and the electron beam can pass through the corresponding observation window and the sample in between.

本発明の電気化学測定用セルは、その測定対象が主として燃料電池用のPt等からなる電極触媒であり、TEM観察に用いられるセルであって、その平面寸法は数mm四方程度かそれ以下の大きさである。なお、観察対象の試料が燃料電池用の電極触媒に限定されるものでないことは勿論のことである。   The electrochemical measurement cell of the present invention is an electrode catalyst whose measurement object is mainly composed of Pt for fuel cells, etc., and is a cell used for TEM observation, and its plane dimension is about several mm square or less. It is a size. Of course, the sample to be observed is not limited to the electrode catalyst for fuel cells.

基板は電子線透過性の薄膜と補剛板から構成されており、薄膜は窒化珪素や二酸化珪素、アモルファスシリコン(たとえばポリシリコン)などを素材としてその厚みはせいぜい数十nm程度が好ましく、たとえば10nm〜20nm程度が望ましい。また、電子線透過性の薄膜に剛性を付与して基板を形成する補剛板は珪素(シリコン)等を素材とするのがよい。   The substrate is composed of an electron beam transmissive thin film and a stiffening plate. The thin film is preferably made of silicon nitride, silicon dioxide, amorphous silicon (for example, polysilicon), etc., and its thickness is preferably at most several tens of nm, for example, 10 nm. About 20 nm is desirable. Further, the stiffening plate for forming the substrate by imparting rigidity to the electron beam permeable thin film is preferably made of silicon or the like.

基板を構成する薄膜の上には、金電極と白金電極からなる一対、もしくは複数対の電極対が形成されている。   On the thin film which comprises a board | substrate, the electrode pair which consists of a gold electrode and a platinum electrode or a plurality of pairs is formed.

電極対のうち、金電極が観察対象の試料と接触するようになっており、金電極に接する試料の電極対への電流印加後の電気化学的変化が観察される。このように、試料に接してその電気化学的変化を見るための電極を金電極とすることで、当該電極は電気的に安定であり、測定ノイズの低減を図ることができる。   Among the electrode pairs, the gold electrode comes into contact with the sample to be observed, and an electrochemical change after application of current to the electrode pair of the sample in contact with the gold electrode is observed. In this way, by using the gold electrode as the electrode for contacting the sample to observe the electrochemical change, the electrode is electrically stable and measurement noise can be reduced.

また、特に燃料電池用の電極触媒として多用されているPt(白金)やその合金を試料とする際にも、これを接触させてその変化を観察するのに金電極は好適である。   In addition, when using Pt (platinum) or its alloy, which is frequently used as an electrode catalyst for fuel cells, as a sample, a gold electrode is suitable for observing the change by bringing it into contact.

それに対し、電極対を構成する他方の電極を白金電極とすることで、当該電極上で水素を発生させ、可逆水素電極とすることができる。   On the other hand, when the other electrode constituting the electrode pair is a platinum electrode, hydrogen can be generated on the electrode to form a reversible hydrogen electrode.

さらに、電極対を電解液で満たすべく、薄膜の上で電極対を包囲するように囲い枠が設けられ、この囲い枠内に電解液が満たされる。なお、この電解液には、過塩素酸や硫酸、硝酸などが使用できる。   Further, in order to fill the electrode pair with the electrolytic solution, a surrounding frame is provided so as to surround the electrode pair on the thin film, and the electrolytic solution is filled in the surrounding frame. In addition, perchloric acid, a sulfuric acid, nitric acid etc. can be used for this electrolyte solution.

電気化学測定用セルの平面寸法は数mm四方程度であり、このように極めて小さなセル内で電極対の短絡を防止する必要があることから、囲い枠は二酸化珪素などのセラミックスから形成されるのがよい。なお、囲い枠を封止用のゴム素材から形成した場合には、ゴムが溶け出して電解液の成分を変化させる怖れがあることからも、セラミックス素材の囲い枠が好ましいと言える。   The plane dimension of the electrochemical measurement cell is about several mm square, and it is necessary to prevent the electrode pair from being short-circuited in such an extremely small cell. Therefore, the enclosure frame is made of ceramics such as silicon dioxide. Is good. In the case where the enclosure frame is formed from a rubber material for sealing, it can be said that the enclosure frame of the ceramic material is preferable because the rubber may melt and change the components of the electrolytic solution.

囲い枠の上方には、基板と同じ組み合わせの蓋、すなわち、電子線透過性の薄膜と補剛板かなる蓋が配設され、基板と囲い枠、および蓋と囲い枠がそれぞれ液密状に接続(シール)されて電気化学測定用セルが形成される。   Above the enclosure frame, a lid of the same combination as the substrate, i.e., a lid made of an electron beam permeable thin film and a stiffening plate, is disposed, and the substrate and the enclosure frame, and the lid and the enclosure frame are liquid-tight. It is connected (sealed) to form an electrochemical measurement cell.

そして、この電気化学測定用セルにおいては、蓋と基板双方の補剛板がともに金電極に対応する位置がくり貫かれて観察窓を形成しており、金電極に接する試料が観察窓から確認できるとともに、対応する観察窓とその間にある試料を電子線が透過できるようになっている。   In this electrochemical measurement cell, the stiffening plates on both the lid and the substrate are both cut through the positions corresponding to the gold electrodes to form an observation window, and the sample in contact with the gold electrode is confirmed from the observation window. In addition, the electron beam can pass through the corresponding observation window and the sample between them.

このような構成により、観察窓を介して電子線を透過しながら、電極に接する試料の電気化学変化を確認することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to confirm the electrochemical change of the sample in contact with the electrode while transmitting the electron beam through the observation window.

実際には、この電気化学測定用セルがホルダの先端に固定され、透過型電子顕微鏡内に設置されて、当該透過型電子顕微鏡を構成するCCDカメラ等で試料の電気化学変化がモニタリングされることになる。   Actually, this electrochemical measurement cell is fixed to the tip of the holder, installed in the transmission electron microscope, and the electrochemical change of the sample is monitored by a CCD camera or the like constituting the transmission electron microscope. become.

なお、たとえば補剛板に形成された溝(観察窓)に電子線透過性の薄膜を嵌め込んで基板や蓋を構成するという形態も考えられるが、この形態では、小寸法の溝内に薄膜を製作するのに多大な手間と時間を要することが必至であることから好ましいものとは言えない。   Note that, for example, a substrate or a lid may be configured by fitting an electron beam transmissive thin film into a groove (observation window) formed in a stiffening plate. In this embodiment, a thin film is formed in a small-sized groove. Since it is inevitable that it takes a lot of time and labor to produce the film, it is not preferable.

また、前記囲い枠においては、その電極対に対向する内側の面が湾曲面、もしくは平面と湾曲面が連続した面のいずれかから構成されているのが好ましい。   In the surrounding frame, it is preferable that the inner surface facing the electrode pair is formed of either a curved surface or a surface in which a flat surface and a curved surface are continuous.

二酸化珪素などからなる囲い枠内に電解液が満たされた場合、この電解液の周囲は一般に疎水性であることから、仮に囲い枠の内側の面に隅角部が存在するとそこにガスが溜まり易くなってしまう。なお、電解液中に親水性薬剤を投入してガスの溜まり易さを解消するといった方策もあるが、この場合には親水性薬剤が電気化学測定に影響を及ぼすことが懸念されることからも、囲い枠の内側形状に改良を加え、本実施の形態のごとく隅角部のない形状とするのがよい。   When the enclosure is made of silicon dioxide or the like and the electrolyte is filled with the electrolyte, the surroundings of the electrolyte are generally hydrophobic, so if there are corners on the inner surface of the enclosure, gas will accumulate there. It becomes easy. There is also a measure to eliminate the ease of gas accumulation by introducing a hydrophilic drug into the electrolyte, but in this case there is a concern that the hydrophilic drug may affect the electrochemical measurement. It is preferable to improve the inner shape of the surrounding frame so that it does not have a corner portion as in this embodiment.

また、前記観察窓の平面形状は円形であるのが好ましい。透過型電子顕微鏡内は超高真空雰囲気であり、一方でセル内は大気圧雰囲気であることから、この圧力差に耐え得る観察窓の構造が必要となる。   Further, the planar shape of the observation window is preferably circular. Since the inside of the transmission electron microscope is an ultra-high vacuum atmosphere, while the inside of the cell is an atmospheric atmosphere, an observation window structure that can withstand this pressure difference is required.

具体的には、蓋や基板の補剛板がくり貫かれて形成された薄膜の観察窓は、透過型電子顕微鏡の超高真空雰囲気内において補剛板のくり貫き輪郭をエッジとして外側に強く引っ張られる(吸引される)ことになる。   Specifically, the observation window of the thin film formed by hollowing out the stiffener plate of the lid or the substrate is strongly outward with the cutout contour of the stiffener plate as an edge in the ultrahigh vacuum atmosphere of the transmission electron microscope. It will be pulled (sucked).

この際に、仮に輪郭エッジの線形が方形や多角形だと、隅角を起点として薄膜に亀裂が生じ易くなってしまう。   At this time, if the contour edge is linear or polygonal, the thin film tends to crack starting from the corner.

これに対し、輪郭エッジ(観察窓の輪郭)を円形とすることで亀裂の起点となり易い隅角が存在しなくなり、また、薄膜には引張り力が円形輪郭の全体に均等に作用することとなり、このことによっても亀裂が生じ難くなる。   On the other hand, by making the contour edge (contour of the observation window) circular, there is no corner angle that is likely to be the starting point of a crack, and in addition, the tensile force acts equally on the entire circular contour in the thin film, This also makes it difficult for cracks to occur.

また、金電極に複数の開口があり、それぞれの開口に試料が収容自在となっており、かつ、前記蓋と前記基板ではそれぞれの前記開口に対応する位置に観察窓が形成されている実施の形態であってもよい。   In addition, the gold electrode has a plurality of openings, each of the openings can accommodate a sample, and the lid and the substrate have observation windows formed at positions corresponding to the openings. Form may be sufficient.

この形態によれば、一つの電気化学測定用セルで複数の試料の電気化学変化を同時に観察することが可能となる。   According to this embodiment, it is possible to simultaneously observe electrochemical changes of a plurality of samples with one electrochemical measurement cell.

また、複数の試料がそれぞれに固有の観察窓に対応する位置に位置決めされるように金電極に複数の開口が設けてあることで、複数の試料を金電極内の所望位置に固定できることに加えて、開口に試料が収容されることから試料がその周囲で金電極と接することができ、その電気化学変化の促進にも繋がる。   In addition to providing a plurality of openings in the gold electrode so that the plurality of samples are positioned at positions corresponding to the respective observation windows, the plurality of samples can be fixed at desired positions in the gold electrode. Since the sample is accommodated in the opening, the sample can be in contact with the gold electrode around it, which leads to promotion of the electrochemical change.

また、本発明は電気化学測定システムにも及ぶものであり、この電気化学測定システムは、前記電気化学測定用セルを固定するホルダが透過型電子顕微鏡(収差補正透過型電子顕微鏡(Cs-TEM)を含む)にセットされてなるものである。   The present invention also extends to an electrochemical measurement system. In this electrochemical measurement system, a holder for fixing the electrochemical measurement cell is a transmission electron microscope (aberration-corrected transmission electron microscope (Cs-TEM)). Is included).

この電気化学測定システムでは、本発明による電気化学測定用セルがホルダに固定された状態で透過型電子顕微鏡にセットされているため、電気化学測定と試料観察を両立することができる。また、本発明による電気化学測定用セルを適用していることでナノサイズの厚みの電子線透過型の薄膜を介して電子線を透過させることができ、もって解像度を高めることもできる。   In this electrochemical measurement system, since the electrochemical measurement cell according to the present invention is set in the transmission electron microscope in a state of being fixed to the holder, both electrochemical measurement and sample observation can be achieved. In addition, by applying the electrochemical measurement cell according to the present invention, it is possible to transmit an electron beam through an electron beam transmission thin film having a nano-size thickness, thereby improving the resolution.

以上の説明から理解できるように、本発明の電気化学測定用セルとこのセルが透過型電子顕微鏡にセットされてなる電気化学測定システムによれば、電気化学測定と試料観察を両立することができ、たとえばPt触媒等の燃料電池用の電極触媒の電気化学的変化をリアルタイムに観察することができる。   As can be understood from the above description, according to the electrochemical measurement cell of the present invention and the electrochemical measurement system in which this cell is set in a transmission electron microscope, it is possible to achieve both electrochemical measurement and sample observation. For example, electrochemical changes of an electrode catalyst for a fuel cell such as a Pt catalyst can be observed in real time.

本発明の電気化学測定用セルの実施の形態の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of embodiment of the cell for electrochemical measurements of this invention. 図1のII−II矢視図である。It is an II-II arrow line view of FIG. 図1のIII−III矢視図である。It is the III-III arrow line view of FIG.

以下、図面を参照して本発明の電気化学測定用セルの実施の形態を説明する。なお、図示例は電極対が一対の形態であるが、2対以上の電極対を具備する形態、電極を3本以上有する形態であってもよい。   Embodiments of the electrochemical measurement cell of the present invention will be described below with reference to the drawings. The illustrated example is a pair of electrode pairs, but may be a form having two or more electrode pairs or a form having three or more electrodes.

(電気化学測定用セル)
図1は本発明の電気化学測定用セルの実施の形態の縦断面図であり、図2は図1のII−II矢視図であって電気化学測定用セルを上から見た平面図であり、図3は図1のIII−III矢視図であって電気化学測定用セルをその途中で切断した横断面図である。
(Electrochemical measurement cell)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of an electrochemical measurement cell according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the electrochemical measurement cell as viewed from above, taken along the line II-II in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 and the electrochemical measurement cell cut along the way.

図示する電気化学測定用セル10は、電子線透過性の薄膜1と補剛板2からなる基板3の上に金電極5と白金電極4からなる電極対が形成され、薄膜1上で電極対を包囲するように囲い枠6が形成され、囲い枠6で包囲された薄膜1上の空間は電極対を封止するように電解液ESが満たされ、囲い枠6の上方には電子線透過性の薄膜7と補剛板8かなる蓋9が配設されてその全体が構成されている。   In the illustrated electrochemical measurement cell 10, an electrode pair composed of a gold electrode 5 and a platinum electrode 4 is formed on a substrate 3 composed of an electron beam permeable thin film 1 and a stiffening plate 2. A space 6 on the thin film 1 surrounded by the surrounding frame 6 is filled with the electrolyte solution ES so as to seal the electrode pair, and an electron beam is transmitted above the surrounding frame 6. A lid 9 consisting of a conductive thin film 7 and a stiffening plate 8 is disposed to constitute the whole.

基板3と蓋9を構成する薄膜1,7はいずれも、それらの厚みが10nm〜20nm程度の極薄の膜であり、窒化珪素や二酸化珪素、アモルファスシリコンなどのうちのいずれか一種から形成されている。   Each of the thin films 1 and 7 constituting the substrate 3 and the lid 9 is an extremely thin film having a thickness of about 10 nm to 20 nm, and is formed of any one of silicon nitride, silicon dioxide, amorphous silicon, and the like. ing.

また、基板3と蓋9を構成する補剛板2,8はいずれも、薄膜1,7に剛性を付与して所望の剛性を備えた基板3や蓋9を構成するためのものであり、珪素(シリコン)等から形成される。   Further, the stiffening plates 2 and 8 constituting the substrate 3 and the lid 9 are for forming the substrate 3 and the lid 9 having a desired rigidity by imparting rigidity to the thin films 1 and 7, respectively. It is made of silicon (silicon) or the like.

電気化学測定用セル10の平面寸法は数mm四方程度であり、このように極めて小さなセル内で電極対の短絡を防止する観点から、囲い枠6は二酸化珪素などのセラミックスから形成されている。   The planar dimension of the electrochemical measurement cell 10 is about several mm square, and the enclosure frame 6 is made of ceramics such as silicon dioxide from the viewpoint of preventing the electrode pair from being short-circuited in such an extremely small cell.

この囲い枠6は、図3から明らかなように、その内側面6aが4つの平面とこれらを繋ぐ4つの湾曲面6a’の連続面から構成されている。二酸化珪素などからなる囲い枠6内に電解液ESが満たされている状態では、この電解液ESの周囲は一般に疎水性となっており、囲い枠の内側の面に隅角部が存在するとそこにガスが溜まり易くなってしまうため、図示例のように囲い枠6の内側面6aを平面と湾曲面の連続面とすることでガス溜まりを解消できる。
また、電解液ESは、過塩素酸や硫酸、硝酸のうちのいずれか一種が使用される。
As apparent from FIG. 3, the inner frame 6 a of the surrounding frame 6 is composed of four planes and a continuous surface of four curved surfaces 6 a ′ connecting them. In a state where the enclosure solution 6 made of silicon dioxide or the like is filled with the electrolyte solution ES, the periphery of the electrolyte solution ES is generally hydrophobic, and there is a corner portion on the inner surface of the enclosure frame. Therefore, gas accumulation can be eliminated by making the inner surface 6a of the surrounding frame 6 a continuous surface of a flat surface and a curved surface as shown in the example of the drawing.
In addition, any one of perchloric acid, sulfuric acid, and nitric acid is used as the electrolytic solution ES.

金電極5には複数の開口5a(図では4つの開口)が設けてあり、この開口5a内に観察対象である試料S(たとえば燃料電池用のPt触媒など)が収容されるようになっている。なお、図示する開口5aの平面形状は矩形であるが(図3参照)、平面視形状が矩形以外の多角形や円形、楕円形などであってもよい。さらには、収容される試料と相補的な形状の開口を設けておき、試料が開口に不動姿勢で収容できるようにしてもよい。   The gold electrode 5 is provided with a plurality of openings 5a (four openings in the figure), and a sample S to be observed (for example, a Pt catalyst for a fuel cell) is accommodated in the openings 5a. Yes. In addition, although the planar shape of the opening 5a shown in the figure is a rectangle (see FIG. 3), the planar view shape may be a polygon other than a rectangle, a circle, an ellipse, or the like. Furthermore, an opening having a shape complementary to the sample to be accommodated may be provided so that the sample can be accommodated in the opening in a stationary posture.

このように観察対象の試料Sが金電極5と接することにより、金電極5は電気的に安定であり、測定ノイズの低減を図ることができる。特に燃料電池用の電極触媒として多用されているPtやその合金を試料Sとする際には、これを金電極5に接触させてその変化を観察する上で金電極は好適である(白金電極に対して白金触媒を接触させた場合には、白金触媒のみの電気化学反応を観察することはできない)。加えて、複数の試料Sが金電極5に設けられた複数の開口5aに収容されることで、複数の試料Sを金電極5内の所望位置に固定できることに加えて、開口5aに試料Sが収容されることから試料Sがその周囲で金電極5と接することができ、その電気化学変化を促進させることができる。   As described above, when the sample S to be observed is in contact with the gold electrode 5, the gold electrode 5 is electrically stable, and measurement noise can be reduced. In particular, when Pt or an alloy thereof frequently used as an electrode catalyst for a fuel cell is used as the sample S, the gold electrode is suitable for contacting the gold electrode 5 and observing the change (platinum electrode). When a platinum catalyst is brought into contact with the catalyst, an electrochemical reaction of only the platinum catalyst cannot be observed). In addition, since the plurality of samples S are accommodated in the plurality of openings 5 a provided in the gold electrode 5, the plurality of samples S can be fixed at desired positions in the gold electrode 5, and the sample S is inserted in the opening 5 a. Is accommodated, the sample S can contact the gold electrode 5 around it, and the electrochemical change can be promoted.

また、基板3と蓋9を構成する補剛板2,8には、金電極5の各開口5a内の試料Sを確認できる観察窓2a、8aが各開口5aに対応する位置に設けられており、したがって、それぞれ4つの観察窓2a、8aは相互に対応する位置に開設されている。   Further, the stiffening plates 2 and 8 constituting the substrate 3 and the lid 9 are provided with observation windows 2a and 8a through which the sample S in each opening 5a of the gold electrode 5 can be confirmed at a position corresponding to each opening 5a. Therefore, each of the four observation windows 2a and 8a is opened at a position corresponding to each other.

したがって、図2で示すように、観察窓8aを介して下方に位置する金電極5の開口5aとこれに接している試料Sを確認することができる。   Therefore, as shown in FIG. 2, the opening 5a of the gold electrode 5 positioned below and the sample S in contact therewith can be confirmed through the observation window 8a.

また、対応する観察窓2a、8aを介して、透過型電子顕微鏡による観察の際に電子線EBを透過させることができる。   Further, the electron beam EB can be transmitted through the corresponding observation windows 2a and 8a when observing with a transmission electron microscope.

さらに、図2から明らかなように、観察窓8aの平面形状は円形となっている。透過型電子顕微鏡内は超高真空雰囲気であり、一方でセル10内は大気圧雰囲気であることから、この圧力差に耐え得る観察窓8a(および観察窓2a)の構造が必要となる。そして、観察窓8a、2aの平面形状が円形であることから、薄膜7,1にはセル内外圧力差に起因する引張り力が円形輪郭の全体に均等に作用することとなり、このことによっても亀裂が生じ難くなる。   Further, as apparent from FIG. 2, the planar shape of the observation window 8a is circular. Since the inside of the transmission electron microscope is an ultra-high vacuum atmosphere, while the inside of the cell 10 is an atmospheric pressure atmosphere, the structure of the observation window 8a (and the observation window 2a) that can withstand this pressure difference is required. Since the planar shape of the observation windows 8a and 2a is circular, the tensile force due to the pressure difference between the inside and outside of the cell acts on the thin film 7 and 1 evenly over the entire circular contour, which also causes cracks. Is less likely to occur.

図示する電気化学測定用セル10によれば、電気化学測定と試料観察を両立することができ、たとえばPt触媒等の燃料電池用の電極触媒の電気化学的変化をリアルタイムに観察することが可能となる。また、小寸法のセルでありながら電気絶縁性が保証され、TEM観察の際の超高真空雰囲気下においても観察窓の破損の可能性は極めて低い。さらに、ナノサイズの極薄の薄膜を介して試料を撮像できることからその解像度も極めて高くなる。   According to the illustrated electrochemical measurement cell 10, it is possible to achieve both electrochemical measurement and sample observation. For example, it is possible to observe in real time an electrochemical change of an electrode catalyst for a fuel cell such as a Pt catalyst. Become. In addition, even though the cell is small in size, electrical insulation is guaranteed, and the possibility of damage to the observation window is extremely low even in an ultrahigh vacuum atmosphere during TEM observation. Furthermore, since the sample can be imaged through a nano-sized ultra-thin film, the resolution is extremely high.

このような電気化学測定用セル10が不図示のホルダに固定され、不図示の透過型電子顕微鏡にセットされることによって電気化学測定システムが構成される。   Such an electrochemical measurement cell 10 is fixed to a holder (not shown) and set in a transmission electron microscope (not shown) to constitute an electrochemical measurement system.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

1…薄膜、2…補剛板、2a…観察窓、3…基板、4…白金電極、5…金電極、5a…開口、6…囲い枠、6a…内側面、6a’…湾曲面、7…薄膜、8…補剛板、9…蓋、10…電気化学測定用セル、ES…電解液、S…試料、EB…電子線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thin film, 2 ... Stiffening plate, 2a ... Observation window, 3 ... Substrate, 4 ... Platinum electrode, 5 ... Gold electrode, 5a ... Opening, 6 ... Enclosure frame, 6a ... Inner side surface, 6a '... Curved surface, 7 ... Thin film, 8 ... Stiffening plate, 9 ... Lid, 10 ... Electrochemical measurement cell, ES ... Electrolyte, S ... Sample, EB ... Electron beam

Claims (5)

電気化学測定用セルであって、
電子線透過性の薄膜と補剛板からなる基板と、基板の薄膜上に載置された金電極および白金電極からなる電極対と、薄膜上で該電極対を包囲する囲い枠と、囲い枠で包囲された薄膜上の空間で電極対を封止する電解液と、囲い枠の上方に配された蓋であって電子線透過性の薄膜と補剛板かなる蓋と、から構成され、
前記蓋と前記基板双方の補剛板はともに、前記金電極に対応する位置がくり貫かれて観察窓を形成しており、金電極に接する試料が観察窓から確認できるとともに、対応する観察窓とその間にある試料を電子線が透過できるようになっている電気化学測定用セル。
An electrochemical measurement cell,
A substrate made of an electron beam permeable thin film and a stiffening plate, an electrode pair made of a gold electrode and a platinum electrode placed on the thin film of the substrate, an enclosure frame surrounding the electrode pair on the thin film, and an enclosure frame An electrolyte solution that seals the electrode pair in the space surrounded by the thin film, and a lid that is disposed above the enclosure frame and is made of an electron beam permeable thin film and a stiffening plate.
Both the lid and the stiffening plate of the substrate are cut out at positions corresponding to the gold electrodes to form an observation window, and a sample in contact with the gold electrode can be confirmed from the observation window. Electrochemical measurement cell that allows the electron beam to pass through the sample in between.
前記囲い枠のうち、電極対に対向する内側の面が湾曲面、もしくは平面と湾曲面が連続した面のいずれかから構成されている請求項1に記載の電気化学測定用セル。   2. The electrochemical measurement cell according to claim 1, wherein, of the enclosure frame, an inner surface facing the electrode pair is formed of a curved surface or a surface in which a flat surface and a curved surface are continuous. 前記観察窓の平面形状が円形である請求項1または2に記載の電気化学測定用セル。   The electrochemical measurement cell according to claim 1 or 2, wherein the planar shape of the observation window is circular. 金電極に複数の開口があり、それぞれの開口に試料が収容自在となっており、かつ、前記蓋と前記基板ではそれぞれの前記開口に対応する位置に観察窓が形成されている請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学測定用セル。   The gold electrode has a plurality of openings, the sample can be accommodated in each of the openings, and an observation window is formed at a position corresponding to each of the openings in the lid and the substrate. 4. The electrochemical measurement cell according to any one of 3. 請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学測定用セルを固定するホルダが透過型電子顕微鏡にセットされてなる電気化学測定システム。   An electrochemical measurement system in which a holder for fixing the electrochemical measurement cell according to claim 1 is set on a transmission electron microscope.
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