成果速递丨实验室台式XAFS谱仪用于精确分析多组分固体氧化物成分

CeO₂-Nb₂O₅复合氧化物，作为一种复合稀土氧化物陶瓷材料，常被应用于固体氧化物燃料电池、氧气传感器及异相催化等众多领域。之前不少的研究数据表明在高温固相法合成该复合稀土氧化物时，会部分形成Ce₃NbO_7+δ化合物。然而在大气氛围下的高温固相法合成这种带有部分还原的Ce氧化物是不太合理的。为了更加合理的验证CeO₂-Nb₂O₅复合氧化物在高温固相法合成条件下得到的产物信息，研究人员综合利用了粉末X射线衍射（XRD）和实验室的X射线吸收谱（XAFS）等数据进行验证，并证实了之前研究中的一些错误观点，证明了Ce₃NbO_7+δ化合物并不存在。相关研究成果发表于Journal of Rare Earths, 2021, 39: 596-599.

图1. (a) 合成样品，CeO₂及CeNbO₄的XRD谱图及精修结果；(b) 样品，CeO₂及CeNbO₄的XANES Ce L₃ edge谱及线性组合拟合谱

研究人员将化学计量比的CeO₂和Nb₂O₅作为原料，利用基于大气氛围的高温固相法进行合成，得到产物。如图1所示，图a为产物及两种标准样的XRD图谱。图中数据和前人研究数据相吻合。经过XRD精修后，得到该产物主要含有54.8% wt%的CeO₂和45.2 wt%的CeNbO₄，对应的物质的量比为2.09:1。随后，该研究人员借助实验室台式XAFS谱仪测试了实验样品，CeO₂、CePO₄和Ce₃NbO_7+δ三种样品的Ce L₃边XANES图谱，如图1b所示。CePO₄的Ce L₃ XANES展现了很强的白线峰特性，其吸收边位置在5725.8 eV。与之不同的是，CeO₂主要包含三个低强度的峰，且吸收边位置在5726.7 eV。而合成产物的吸收边位置在5725.8 eV，介于Ce⁴⁺和Ce³⁺，说明样品中同时存在三价和四价的Ce离子。在通过线性拟合分析，以CeO₂和CePO₄的XANES谱图为基准，对样品的XANES谱图进行拟合，终得到非常理想的拟合结果。可以看出，根据线性拟合的结果，可以很好的重现样品的数据：0.65 CeO₂和0.35的CePO₄。这与之前XRD精修结果得到的四价和三价的Ce离子比例2:1较为吻合。综合精修XRD和XANES谱图，可以判定该样品的主要组成成分为CeO₂和CeNbO₄，而不会生成新的物质，诸如Ce₃NbO_7+δ等化合物。

文章中，研究人员使用了美国easyXAFS公司的桌面式X射线吸收谱easyXAFS100+实现了对该样品的Ce L₃ edge的XANES测试，同时结合Athena软件里面的线性组合拟合这一功能，实现了样品中主要成分的鉴定，得到了Ce⁴⁺和Ce³⁺的相对含量。该项研究为该领域中分析多组分的固体氧化物鉴定提供了重要的借鉴和指导意义。

图2. easyXAFS公司的台式XAFS/XES谱仪

实验室台式XAFS谱仪优势：

1. 台式设计，可以在实验室内随时满足日常样品分析；

2. LabVIEW软件脚本控制，附带7位自动样品轮, 可以同时进行多个样品或样品参数条件下的测试；

3. 可集成辅助设备，控制样品条件，适用于对空气敏感的样品的检测或一些原位测试，如原位的锂电池或电催化实验测试，监测电/催化材料的结构变化；

4. 台式XAFS/XES谱仪具有XAFS和XES两种工作模式，可快速切换，满足不同科研试验需求;

5. 台式XAFS/XES谱仪测得的谱图效果可以媲美同步辐射数据，如图3所示，其测得的Ni元素的EXAFS，Ce和U元素的L3-edge的XANES谱图数据与同步辐射光源谱图效果完全一致；

图3. （a, b）台式XAFS/XES谱仪与同步辐射光源测得的Ni EXAFS及傅里叶变换后R空间对比谱图, （c、d）Ce和U L₃-edge XANES谱图数据对比图

6. 多种型号和配置可选，满足不同科研要求；

7. 操作便捷，维护成本低，安全可靠.

参考文献：

[1] S. K. Sun, L. M. Mottram, N. C. Hyatt. On the existence of the compound “Ce₃NbO_7+δ” prepared under air[J]. Journal of Rare Earths, 2021, 39: 596-599.