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液相化学反应对自然界的演化过程起到了至关重要的作用。而水作为最普遍的化学反应溶剂，在人类生活中扮演着极其重要的角色。在纳米甚至原子尺度上观察与理解水中的各种化学反应机理，例如化合物在水中的溶解以及光催化水裂解产氢等等，对可控性液相化学反应进程，具有极其重要的研究价值。目前，一种利用液体封装与透射电子显微镜相结合的液体观察技术，得到了快速的发展。此技术是通过将液体封装于密闭液体腔室中，进而在透射电子显微镜中进行液相化学反应观察，并且能够获得纳米甚至原子尺度的分辨率，从而可以很好地揭示出包括纳米颗粒生长、液体中气泡的生长动力学特征等重要的自然科学机理。 由于透射电子显微镜的电子束往往具有极高的加速电压，当电子束与液态水相互作用时，会激发水中产生各种强还原性、强氧化性基团、水合电子甚至改变水中的pH值，而这些化学基团的产生又会对水中材料的理化性质产生交互作用。如何设计实验合理地评估电子束辐照水对材料所产生的影响，以及如何利用液体环境透射电子显微镜来研究各种氧化物在水中的溶解机理以及氧化物光催化水裂解产氢的催化机理等，是一项极具挑战性的工作。 本文利用一种液体封装与透射电子显微镜相结合的技术方法，以液态水为主要的溶剂，开展了原位观察与研究电子束辐照下水中的Au纳米颗粒的生长、有机物催化产生氢气泡、Ag@C纳米线的腐蚀、氧化物的溶解动力学特征以及TiO2光催化水裂解产氢机制等。具体的研究内容和取得的研究成果如下: 1.研究电子束辐照水中产生的主要化学基团(eaq-、OH·、H和H2)与材料的交互作用:通过电子束辐照水，来研究水合离子eaq-对Au离子的置换以及形成Au纳米颗粒的动力学生长过程;通过电子束辐照Ag@C纳米线，来研究电子束辐照水中氧化性基团OH·对碳壁以及Ag纳米线的腐蚀过程;通过电子束辐照KLH有机蛋白质水溶液以及氨基酸水溶液，来研究有机物催化OH·产生氢气泡的动力学过程，及对比纯水中成分的能量损失谱EELS探测。分析电子束轰击下，高真空与湿环境液态水中，离子晶体NaCl的不同分解与溶解进程，揭示NaCl晶面在水中的溶解热力学与动力学特征。 2.利用液体封装透射电子显微镜技术，通过电子束辐照来启动不溶氧化物纳米颗粒(CeO2，CuO，Fe2O3，Al2O3，VO2)在水中的快速溶解。通过高分辨透射电子显微镜原位观察氧化物的溶解以及氧化物溶解过程中的衍射分析，揭示出电子束辐照下氧化物溶解与氧空位产生的关联。并且通过定量计算氧化物溶解动力学特征，以及定量分析电子束辐照下氧化物中空位的形成与分析氧空位在不同氧化物的扩散，来解释氧化物溶解过程中向低氧化合物转变的相变机理。同时在以上研究基础上，我们利用电子束辐照下水环境中氧化物快速溶解特性，发展了一种水环境下电子束刻蚀印刷氧化物半导体方法。相关技术工作已申请一个国际专利与一个国内专利。 3.将TiO2纳米颗粒水溶液封装于SAW cell之中，通过紫外辐照与透射电子显微镜相结合，来观察TiO2光催化水裂解过程中TiO2与水界面的结构与化学变化。通过原位电子束辐照来观察浸润水环境中TiO2纳米颗粒，来观察与探测TiO2与水界面的非晶层，以及计算氢气的产生速率，从而揭示出TiO2催化水裂解产氢过程中，氢原子会进入TiO2晶格，从而在TiO2表面形成氢化非晶层。通过第一性原理及第一性原理分子动力学计算，证明此氢化层可以有效的促进表层水处于裂解态。并且通过实验调控此氢化非晶层的厚度，可以证明其明显加速了氢气的产生进程。