透射电镜（TEM）概述

TEM是一种以波长极短的电子束作为光源，利用薄样品与电子束的相互作用进行微观形貌、结构、成分和元素价态等分析的高精密电子光学仪器。TEM因其极高的分辨率、集成多种分析功能和直观等优点，可以在纳米/原子尺度研究材料的微观形貌、晶体结构、界面结构、缺陷结构、电子价态结构、元素定性定量分析和空间分布等显微结构，成为研究催化材料构效关系和催化机理最有力的表征手段。

TEM在碳基催化剂显微结构表征中的典型应用

当前，贵金属催化剂(如Pt、Pd等)在化工、清洁能源和汽车等领域已经得到广泛应用。然而，贵金属催化剂价格高、储量低，而碳基催化剂则具有成本低、耐酸碱和结构设计性强等优点，是一种极具潜力的非金属催化材料。通常，碳基催化剂需要通过适当的掺杂和/或引入缺陷等微观结构调控来提高其催化性能，而对于掺杂元素和缺陷的原子级表征则必须依赖于高分辨率的TEM。

碳基催化剂的缺陷结构表征

利用TEM可以在原子尺度上研究碳基催化剂中缺陷的类型、分布和浓度等关键结构特征。例如，澳大利亚格里菲斯大学姚向东研究团队采用氮掺杂前驱体脱氮的方法获得缺陷石墨烯（DG），通过XPS等谱学方法证实氮掺杂位置和氮脱除过程，进一步利用球差校正透射电镜（AC-TEM）高角环形暗场像（HAADF）在原子尺度上证实了缺陷石墨烯中含有五元环、七元环和八元环等缺陷结构（Fig.1），为阐明缺陷石墨烯在析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）中的构效关系提供了关键结构证据。

Fig. 1. 石墨烯（G）、氮掺杂石墨烯（NG）和缺陷石墨烯（DG）的结构表征：a)DG形成机制示意图；b)XPS谱；c)NG和DG的N1s高分辨谱；d)Raman谱；e)DG的TEM形貌（120kV）；f)DG的AC-TEM HAADF像（80kV）；g)DG的AFM图像。（Jia et al.,Adv. Mater. 2016,28,9532–9538）

碳基催化剂的元素分布和价态结构表征

通过TEM上配置的能谱仪（EDS）和电子能量损失谱仪（EELS），可以对碳基催化剂的掺杂元素分布和价态结构进行表征。例如，清华大学深圳国际研究生院干林、李佳团队与佛山大学夏冬生团队采用高温处理锌沸石咪唑酯骨架材料（ZIF）前驱体的方法，高选择性地合成了五元环石墨氮掺杂（氮位于石墨平面内的五元环缺陷）碳基催化剂。通过AC-TEM的EELS-mapping分析表明N元素均匀分布于石墨氮掺杂炭材料，积分差分相位衬度高分辨STEM像（iDPC-HRSTEM）在原子尺度上揭示了其五元环石墨氮结构（Fig.2），为五元环石墨氮结构的微观形成机制和优异的ORR四电子催化活性机理研究提供了直接的结构证据。

Fig.2. 不同热处理温度ZIF中N-C的显微结构：a)合成工艺示意图；b)-e)900℃~1300℃热处理后的TEM形貌像；f)EELS-mapping、N-K壳层和C-K壳层电子能量损失近边结构（ELNES）；g)和h)分别为1300℃和1400℃时N-C的球差校正iDPC-HRSTEM图像。(Zhu et al.,Adv. Mater.,2025,37,2414976)

简而言之，利用TEM可以在纳米/原子尺度上对碳基催化剂的微观形貌、缺陷结构、原子排布、掺杂元素的位置、电子价态和元素空间分布等进行系统表征，为高性能碳基催化剂的开发和构效关系的研究提供关键结构数据和理论指导。