臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES
美國easyXAFS公司推出的臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜儀，采用的X射線單色器設計，無需同步輻射光源，在常規(guī)實驗室環(huán)境中實現(xiàn)X射線吸收精細結(jié)構(gòu)測量和分析，以高的靈敏度和光源質(zhì)量，實現(xiàn)對元素的測定、價態(tài)和配位結(jié)構(gòu)分析等。此外，該設備還能夠進行X射線發(fā)射譜測試(XES)，該表征本質(zhì)上是超高能量分辨率的X射線熒光光譜(high-resolution XRF)。XAFS和XES可以對樣品的局部電子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信息互補。廣泛應用于電池、催化劑、環(huán)境、放射性化學、地質(zhì)、陶瓷等研究領域。
XAFS/XES 設備特點 - 無需同步輻射光源 - 科研別譜圖效果 - 臺式設計，實驗室內(nèi)使用 - 可外接儀器設備，控制樣品條件 - 可實現(xiàn)多個樣品或多種條件測試 - 操作便捷、維護成本低 | XAFS/XES 設備參數(shù) X射線源： XAFS: 1.2-kW XRD(Mo/Ag) XES: 100W XRF 空冷管(Pd/W) 能量范圍：4.9-20.5keV 分辨率：0.5-1.5eV 樣品塔：8位自動樣品輪 布拉格角：55-85 deg |
設備型號
XAFS300 高功率版，固定光源模式，采用1200W 功率X射線管作為X射線光源，與光學模塊和探測器組裝。臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)譜儀提供了透射模式測量，適用于儲能或催化等領域的研究和開發(fā)?？缮秊閄AFS300+型號。 | 高功率版，兼容XAFS和XES功能，固定光源模式。該型號使用與XAFS300相同的高功率1200W射線管作為光源，用于X射線吸收譜功能XAFS；同時配備低功率100W 的X射線管和電源，用于X射線發(fā)射譜測試(XES)。 | XES150 低功率版，采用固定光源模式，采用100W 功率X射線管作為X射線光源，具備與同步輻射裝置相媲美的硬X射線發(fā)射光譜(XES)功能，和透射X射線吸收譜(XAFS)功能。光學系統(tǒng)模塊化，能量范圍功率可調(diào)。 |
應用案例
催化劑研究：實驗室X射線吸收譜（XAFS）助力解析缺陷位點在OER反應中的作用機制
表面缺陷調(diào)控工程被認為是提高催化劑催化活性的一種方法。因為表面缺陷工程可以有效調(diào)控活性位點的配位環(huán)境，從而優(yōu)化催化劑的電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移和中間產(chǎn)物（*OH、*O和*OOH）吸附自由能的優(yōu)化，大大提升催化反應效率。層狀雙金屬氫氧化物（LDH）因其在水氧化（OER）反應中的優(yōu)異性能而被廣泛研究。而表面缺陷的引入將進一步提升其在OER中的催化效率。近期，鄭州大學馬煒/周震教授及其他合作者成功揭示了NiFe雙金屬氫氧化物納米片中表面缺陷對于OER反應的巨大提升作用，同時通過結(jié)合X射線吸收譜（臺式easyXAFS300+，美國easyXAFS公司），成功揭示了氧化前后催化劑的精細結(jié)構(gòu)變化，為表面缺陷在催化反應中的作用機制提供數(shù)據(jù)支撐，相關研究成果發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9(25): 14432-14443.
圖1. (a) Ni1/2Fe1/2(OH)2/CNT-24及其他樣品的XAFS圖，Ni k edge（b）徑向距離χ(R)空間譜，（c）χ(R)空間擬合曲線圖，（d）k2χ(k)空間譜擬合曲線
電池材料：實驗室臺式XAFS在高性能水系鋅離子電池研究中的應用
美國華盛頓大學曹國忠教授等人合作在Nano Energy上發(fā)表了題為“Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate”的水系鋅離子電池相關研究成果。該研究通過水熱合成法引入Al3+，有效的改善了純水合氧化釩 (VOH) 正材料用于水系鋅電池中的缺點：包括提升其離子遷移率和循環(huán)穩(wěn)定性等[1]。Al3+的成功摻入，在改變V原子局部原子環(huán)境的同時，增加了材料中V4+的含量，使得合成的 Al-VOH 材料具有更大的晶格間距和更高的電導率，實現(xiàn)了Zn2+的快速遷移和電子轉(zhuǎn)移。該正材料在50 mA·g-1下的初始容量達到380 mAh·g-1，且具有較好的長期循環(huán)穩(wěn)定性（容量保持超過 3000 次循環(huán)）。
值得一提的是，該團隊通過利用臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜儀（easyXAFS300+）獲得了V k邊的邊前及近邊結(jié)構(gòu)譜圖，并對Al3+摻雜的VOH 正材料進行了深入的研究，從而揭示了引入Al3+后，VOH的結(jié)構(gòu)變化及充放電過程中的有利作用等。
參考文獻：
[1] Zheng J, Liu C, Tian M, et al. Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate[J]. Nano Energy, 2020, 70: 104519.
環(huán)境修復：臺式XAFS/XES譜儀分析檢測Cr元素的應用
美國華盛頓大學Gerald Seidler教授通過實驗室XAFS/XES譜儀完成了環(huán)境和工業(yè)制成品中Cr元素的價態(tài)和含量的分析。
圖1顯示了XAFS光譜Cr近邊區(qū)結(jié)果（XANES）。研究人員利用臺式XAFS技術輕松對鉻元素進行分析檢測，不僅完成了標準品化合物K2CrO4的測試及擬合分析，同時也實現(xiàn)了對實際生產(chǎn)樣品的表征。
圖1. XAFS近邊區(qū)光譜（a）六價參考化合物，鉻酸鉀；（b）CRM 8113a是基于RoHS描述的用于重金屬分析的認證參考材料
臺式XAFS譜儀也同時配置了XES模組，通過激發(fā)特定元素內(nèi)層電子后使外層電子產(chǎn)生弛豫并發(fā)射X射線熒光，對其能量和強度進行分析可以的給出目標元素的氧化態(tài)、自旋態(tài)、共價、質(zhì)子化狀態(tài)、配體環(huán)境等信息。由于不依賴于同步輻射，且得益于特有的單色器設計，可以在實驗室內(nèi)實現(xiàn)高分辨寬角高通量的XES元素分析（包括P, S, V，Zn, Cr, Ni, As, U, etc.）。在圖2中，在未知Cr含量的塑料樣品中，當擬合Cr元素XES Kα光譜時，可以充分觀察到Cr的各種氧化態(tài)之間的精細光譜變化，且測試結(jié)果與同步輻射XAFS一致。對比Cr(VI)和Cr（III），可以在高于20 meV的能量分辨率下輕松辨別光譜特征的差異。Cr（III）在價態(tài)上具有更高電子密度，其光譜將會向更高的能量方向移動，且相對于Cr(VI)峰變寬，可以明顯區(qū)分出Cr(VI)和Cr（III）。
圖2. 背景扣除和積分歸一化后的Cr(VI)和Cr（III）鉻化合物的Cr Kα XES 光譜
此外，從標準塑料樣品中收集的XES光譜（圖3），利用線性superposition analysis技術，經(jīng)擬合與參考化合物光譜的線性疊加，推斷出的Cr(III)/Cr(VI)比例再結(jié)合傳統(tǒng)的XRF技術，就可以實現(xiàn)Cr(VI) ppm別的定量分析。
圖3. 不同樣品中Cr Kα XES光譜的垂直偏移（所有光譜均經(jīng)過背景校正和歸一化）
XAFS/XES技術不僅可以應用于多種聚合物樣品中Cr元素的測定，同時也可應用于P、S、V、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、Au、As、U等元素分析。此方法是無損測試，只需少量的樣品，就可由實驗室測試儀easyXAFS完成?；趯嶒炇襒AFS/XES的Cr測量可能成為未來環(huán)境領域及工業(yè)屆的標準測試方法。
儲能材料：臺式XAFS譜儀在能源存儲材料研究中的應用
因具有優(yōu)異的初始可逆性和較為容易的 Li+嵌入和脫出結(jié)構(gòu)，DRS是一種很有潛力的高比能正材料。特別是Mn基無序巖材料，因其具有無毒、低價格等特性，得到廣泛的關注和研究。然而，目前該類材料都存在循環(huán)壽命短和嚴重的容量衰減等問題。德國卡爾斯魯厄理工大學的Maximilian Fichtner教授及其他合作者結(jié)合了利用高價Ti4+離子及部分F-離子取代O等策略，使得該材料展現(xiàn)了長循環(huán)條件下更加優(yōu)異的電化學性能和庫倫效率。值得注意的是，該團隊利用了臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜儀（臺式easyXAFS300+），成功的揭示了不同含量Ti4+替代對材料中Ti元素和Mn元素的價態(tài)影響，進一步驗證了高價Ti離子替代策略背后的作用機理及對電化學性能的影響。
圖1. (a) 不同Ti含量樣品的Ti k edge XANES對比譜圖（b）XANES放大圖譜（c）不同Ti含量樣品的Mn k edge XANES對比譜圖（d）XANES放大圖譜
測試數(shù)據(jù)
1、XAFS300/XAFS300+
(a, b)金屬Ni箔的EXAFS(擴展邊X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜) 圖及相應的R空間傅里葉轉(zhuǎn)換以及與同步輻射光源數(shù)據(jù)比較；
(c, d) 不同Ce和U元素的化合物的L3的XANES（近邊X射線吸收結(jié)構(gòu)譜圖）及其與同步輻射光源數(shù)據(jù)比較
2、XES150
■ XES Mode
■ XAFS Mode
XAFS for 3d-transition metals easyXAFS硬x射線能譜儀具有寬的能量范圍，可以測量從Ti到Zn的所有三維過渡金屬的高質(zhì)量XANES和EXAFS。這些元素在從電池到催化、環(huán)境修復等現(xiàn)代研究的關鍵領域至關重要。 | Fe\Mn\Ni\Co\Cu XANES & XES Kβ data 用easyXAFS300+測量了Fe\Mn\Ni\Co\Cu XANES 譜圖及 Fe XES Kβ數(shù)據(jù)，分別提供元素價態(tài)及自旋態(tài)的數(shù)據(jù)支撐。 Adv. Func. Mater. 2022, 2202372。 |
Cu EXAFS easyXAFS光譜儀探測了Cu K-edge X射線近邊吸收譜（XANES）。實現(xiàn)材料元素價態(tài)及配位結(jié)構(gòu)的解析對MOFs材料的性能及機理研究尤為重要。 J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4515?4521 | Ni EXAFS easyXAFS硬x射線光譜儀擁有與同步加速器匹配的高能量分辨率。實現(xiàn)對Ni近邊區(qū)XANES和擴展邊區(qū)EXAFS的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。 J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 14432–14443 |
Fe EXAFS 高性能Fe K-edge 擴展邊到k = 14 ?，樣品為Fe金屬箔。EXAFS提供了對局部結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境的數(shù)據(jù)測量。 | NMC Ni K-edge 高性能NMC 442和NMC 811電池電的Ni K-edge XANES譜圖。Ni K-edge位置的變化反映了不同NMC組成導致Ni氧化態(tài)的變化。 J. Electrochem. Soc., 2021, 168, 050532 |
Co K-edge Rapid XANES easyXAFS硬x射線光譜儀能夠與同步加速器匹配的能量分辨率高質(zhì)量的數(shù)據(jù)收集。優(yōu)異的性能可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)。這使得在短時間內(nèi)收集大數(shù)據(jù)集以及實時跟蹤反應過程成為可能。 | Pr L3-edge XANES Pr2O3和Pr6O11的L3邊XANES數(shù)據(jù)表明對Pr氧化狀態(tài)變化的敏感性。用easyXAFS300光譜儀測量。 |
V XANES 利用臺式X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜儀獲得了V k邊的邊前及近邊結(jié)構(gòu)譜圖，揭示了引入Al3+后，VOH的結(jié)構(gòu)變化及充放電過程中的有利作用。 Nano Energy, 2020, 70, 104519 | Cr Kα XES 用easyXAFS光譜儀測量了不同氧化態(tài)的Cr Kα X射線，兼具高能量分辨率及X射線熒光的高靈敏度。 Anal. Chem. 2018, 90, 11, 6587–6593 |
V EXAFS V K-edge EXAFS顯示了easyXAFS譜儀與同步輻射光源相匹配的高k值下的優(yōu)異表現(xiàn)。 | Fe Oxide XANES data 用easyx150光譜儀測量Fe和Fe(III) [Fe2O3]的Fe K-edge，利用XANES對氧化態(tài)差異進行表征。 |
Ti\Mn XANES data easyXAFS譜儀獲取Ti元素和Mn元素的價態(tài)變化，進一步驗證了高價Ti離子和部分F離子替代后策略背后的作用機理。 Chem. Mater. 2021, 33, 21, 8235–824 | Mn&Fe EXAFS easyXAFS譜儀獲取Ti元素和Mn元素的XANES和EXAFS譜圖，解析化學價態(tài)及局部配位結(jié)構(gòu)。 Adv. Func. Mater. 2022, 2202372 |
Fe oxide XES(low weight %) Fe Kβ 光譜測量濃度低至0.25 wt. %，測量時間僅為4分鐘。X射線發(fā)射譜XES非常適合于低元素濃度。 | XES-Se VTC 在easyXES150光譜儀上對金屬Se和Na2SeO4的價帶→核心的XES測量。12639 eV處出現(xiàn)的附加峰反映了Na2SeO4中硒價電子的價電子結(jié)構(gòu)的變化，這可能是由于與氧的軌道混合所致。 |
XES- Ni VTC 用easyXAFS光譜儀測量了不同化合物的Ni Kβ XES，在高能量分辨率下，顯示了對X射線熒光的靈敏度。 Adv. Mater. 2021, 2101259 | |
發(fā)表文章
超過50+SCI論文通過使用臺式XAFS/XES發(fā)表
部分發(fā)表文章舉例：
1. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8718?8724
2. Chem. Mater. 2018, 30, 5373?5379
3. Chem. Mater. 2018, 30, 6377?6388
4. J. Mater. Chem. A, 2019,7, 17966-17973
5. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 16647-16655
6. Small, 2019, 15, 1901747
7. J. Electrochem. Soc., 2019, 166, A2549-A2555
8. Chem. Mater. 2020, 32, 8203?8215
9. J. Mater. Chem. A, 2020,8, 16332-16344
10. Nano Energy, 2020,70, 104519
11. Energy Stor. Mater. 2020, 29, 9-16
12. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9127–9134
13. Chem. Mater. 2021, 33, 8235?8247
14. J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 14432-14443
15. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 27308-27318
16. Green Chem., 2021, 23, 9523–9533
17. Adv. Mater., 2021, 33, 2101259
18. J. Electrochem. Soc., 2021 168 050532
19. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4515?4521
