Calvino Gámez, José Juan

Cauiqui, Miguel Angel

Hungría, Ana Belen

López Haro, Miguel

Xen, Xiaowei

Spanish

Revistas Científicas de la Universidad de Cádiz

18 Boletín B-IMEYMAT 2-2020 Boletín B-IMEYMAT 2-2020 19PROYECTOS IMEYMAT 2019 PROYECTOS IMEYMAT 2019Actualmente la Nanociencia y las Nanotecnologías son considerados pilares básicos del progreso socioeconómi-co en el futuro más inmediato. El espectacular desarrollo experimentado por estas disciplinas en las últimas décadas ha puesto a disposición de la comunidad científ ica herra-mientas para diseñar y generar materiales con prestaciones mejoradas en multitud de aplicaciones. En gran medida, los diseños innovadores se relacionan con el control tanto de la estructura como de la morfología a los niveles ató-mico y nanométrico, respectivamente y, en este contexto, debe considerarse que el éxito de las estrategias de síntesis empleadas para incorporar en los materiales los detalles de-seados en la estructura o la composición requiere de una conf irmación, mediante observación directa, a las escalas de interés. Para este f in tan relevante, los microscopios electrónicos, tanto en modo transmisión (TEM) como en barrido-trans-misión (STEM), que combinan técnicas de imagen y di-fracción con modos analíticos (p.e. espectroscopia disper-siva de rayos X (X-EDS) y espectroscopia de pérdida de energía de los electrones (EELS), han demostrado ser una herramienta esencial, por tratarse de los únicos que pue-den proporcionar información tanto estructural (tamaño, morfología y cristalograf ía) como química, incluyendo la relativa a estados electrónicos, de cualquier tipo de mate-rial, con la resolución espacial y en energía requeridas. En particular, los avances experimentados más reciente-mente en elementos de óptica electrónica, tales como los correctores de aberraciones o los monocromadores; en la calidad de las fuentes de electrones o de los sistemas de de-tección, así como en las metodologías de registro y análi-sis de la información, han permitido rebasar el límite del angstrom en la resolución espacial de las imágenes y de la décima del eV en la resolución en la escala de energía, en los estudios de tipo espectroscópico. Así, usando micros-copios electrónicos de última generación, que incorporan estos avances instrumentales, resultan ya numerosos los problemas abordados en relación con el conocimiento bá-sico y aplicado de multitud de nanomateriales. Si bien la información obtenida en estos equipos resulta extremadamente valiosa para el desarrollo y conocimien-to fundamental de nuevos nanomateriales, es importante recordar que, en los experimentos TEM/STEM conven-cionales, la información corresponde a proyecciones a través del material estudiado y, por tanto, tiene carácter OPTIMIZACIÓN DE METODOLOGÍAS DE TOMOGRAFÍA ANALÍTICA STEM-EDS EN NANOMATERIALES PARA CATÁLISIS HETEROGÉNEAEl Dr. Miguel López Haro es licenciado en Química por la Universidad de Cádiz. Su tesis doctoral fue galardonada con el premio extraordinario de doctorado de la Universidad de Cádiz y con el premio de mejor tesis doctoral de la Sociedad de Microscopia Española en 2011. Durante el periodo 2011-2012 obtuvo las becas CEA-Eurotalents Cofund Marie Curie y MEC Fulbright. Ha trabajado en el laboratorio LEPMI de la escuela politécnica INP-Grenoble, y en la empresa FEI Company (Eindhoven). Actualmente tiene un contrato Juan de la Cierva en la Universidad de Cádiz.bidimensional. Es por esto que, en las últimas décadas se han dedicado grandes esfuerzos al desarrollo de técnicas de tomograf ía electrónica (ET), que permitieran registrar in-formación tridimensional, no solo desde el punto de vista morfológico pero también analítico, a la escala característi-ca TEM/STEM. Las técnicas de tomograf ía electrónica en modo analítico son de desarrollo muy reciente y su aplicación en el ám-bito de los materiales resulta hasta el momento limitada. En efecto, a pesar de las mejoras instrumentales, los tiem-pos de registro necesarios para conseguir mapas químicos con relaciones señal/ruido adecuadas para realizar una re-construcción se encuentran aún en el orden de las decenas de minutos. Dado que una serie tomográf ica incluye un número alto de imágenes, el tiempo total de adquisición resulta elevado, lo que da lugar a dosis totales de irradia-ción que resultan impracticables para muchos materiales. La irradiación no solo puede dar lugar a cambios irrever-sibles en el material sino, eventualmente, a modif icaciones súbitas de la orientación de los nanocristales bajo el haz de electrones. Esta reorientación modif ica el eje de giro y hace imposible la reconstrucción de la serie.  Estas dif icultades explican que hasta el momento el nú-mero de artículos en los que se usa la tomograf ía analíti-ca sea aún muy bajo. Los primeros trabajos datan del año 2013/2014, y en todos ellos se emplean algoritmos conven-cionales para reconstruir la información analítica en 3D de materiales con suf iciente resistencia al haz de electrones. Esta seria limitación plantea, por tanto, la necesidad de de-sarrollar nuevas estrategias de registro de la información y nuevas herramientas de procesado, especialmente adapta-das a la tomograf ía analítica.En el marco del Proyecto Líneas Prioritarias IMEYMAT 2019 nuestro grupo ha implementado y optimizado nue-vas metodologías para realizar estudios de distribución ele-mental en 3D mediante tomograf ía electrónica en modo barrido-transmisión analítico, es decir empleando series de mapas elementales EDS (Espectroscopía de Dispersión de Rayos X) registrados para un conjunto de inclinaciones de muestra en un amplio intervalo de giro. En concreto, nos hemos centrado en el uso de dos métodos muy recientes: (1) Reconstrucciones tomográf icas con algoritmos basa-dos en Compressed Sensing, en concreto, en algoritmos TVM3D (Minimización de la Variación Total en 3 dimen-siones); (2) Interpolación de pixeles muertos en mapas EDS, mediante los algoritmos conocidos como “in-pain-ting”.Los desarrollos metodológicos se han aplicado al estudio de la distribución de elementos en diversos materiales con in-terés en Catálisis Ambiental. En concreto se han analizado con las herramientas que se desarrollaron en el proyecto, diversos experimentos de tomograf ía 3D que se registra-ron sobre nanocatalizadores basados en óxidos de cerio, que encuentran aplicación en procesos relacionados con el control de emisiones contaminantes y la producción de combustibles alternativos (f ig.1).López-Haro. M, Calvino. JJ, Cauqui. MA, Chen. X, Hungría. AB. Equipo de investigación Estructura de Química de Nanomateriales, Instituto IMEYMAT, Universidad de Cádiz.“Las técnicas de tomografía electrónica en modo analítico son de desarrollo muy reciente y su aplicación en el ámbito de los materiales resulta hasta el momento limitada”Figura 1. Imagen HAADF-STEM de un catalizador formado por nanopartículas de Au y Pd so-portado en nanocubos de óxido de Ce (izquierda). Mapa elemental EDS bidimensional del catalizador AuPd soportado sobre nanocubos de Ce; en amarillo se muestra la señal de Pd, rojo la señal de Au y en azul la señal de Ce (centro). Volumen 3D del registro de tomografía EDS, en amarillo se muestra la señal de Pd, en rojo la señal de Au y en azul la señal de Ce.

Optimización de metodologías de tomografía analítica STEM-EDS en nanomateriales para catálisis heterogénea

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