easyXAFS-台式X射线吸收精细结构谱仪XAFS/XES

美国easyXAFS公司新推出台式X射线吸收精细结构谱仪，采用有的X射线单色器设计，无需同步辐射光源，在常规实验室环境中实现X射线吸收精细结构测量和分析，以高的灵敏度和光源质量，实现对元素的测定、价态和配位结构分析等。此外，该设备还能够进行X射线发射谱测试(XES)，该表征本质上是超高能量分辨率的X射线荧光光谱(high-resolution XRF)。XAFS和XES可以对样品的局部电子结构实现信息互补。广泛应用于电池、催化剂、环境、放射性化学、地质、陶瓷等研究领域。

XAFS/XES 设备特点 

-  无需同步辐射光源

-  科研别谱图效果

-  台式设计，实验室内使用

-  可外接仪器设备，控制样品条件

-  可实现多个样品或多种条件测试

-  操作便捷、维护成本低

XAFS/XES 设备参数

‍‍X射线源：

 XAFS: 1.2 kW XRD(Mo/Ag)

          XES: 100W XRF 空冷管(Pd/W)
能量范围：4.9-20.5keV

分辨率：0.5-1.5eV
样品塔：8位自动样品轮
布拉格角：55-85 deg‍‍

设备型号

应用案例

催化剂研究：实验室X射线吸收谱（XAFS）助力解析缺陷位点在OER反应中的作用机制

表面缺陷调控工程被认为是提高催化剂催化活性的一种高效方法。因为表面缺陷工程可以有效调控活性位点的配位环境，从而优化催化剂的电子结构，实现电子转移和中间产物（*OH、*O和*OOH）吸附自由能的优化，大大提升催化反应效率。层状双金属氢氧化物（LDH）因其在水氧化（OER）反应中的优异性能而被广泛研究。而表面缺陷的引入将进一步提升其在OER中的催化效率。近期，郑州大学马炜/周震教授及其他合作者成功揭示了NiFe双金属氢氧化物纳米片中表面缺陷对于OER反应的巨大提升作用，同时通过结合X射线吸收谱（台式easyXAFS300+，美国easyXAFS公司），成功揭示了氧化前后催化剂的精细结构变化，为表面缺陷在催化反应中的作用机制提供数据支撑，相关研究成果发表于Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9(25): 14432-14443.

图1. (a) Ni_1/2Fe_1/2(OH)₂/CNT-24及其他样品的XAFS图，Ni k edge（b）径向距离χ(R)空间谱，（c）χ(R)空间拟合曲线图，（d）k2χ(k)空间谱拟合曲线

电池材料：实验室台式XAFS在高性能水系锌离子电池研究中的应用

美国华盛顿大学曹国忠教授等人合作在Nano Energy上发表了题为“Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate”的水系锌离子电池相关研究成果。该研究通过水热合成法引入Al³⁺，有效的改善了纯水合氧化钒 (VOH) 正材料用于水系锌电池中的缺点：包括提升其离子迁移率和循环稳定性等^[1]。Al³⁺的成功掺入，在改变V原子局部原子环境的同时，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间距和更高的电导率，实现了Zn²⁺的快速迁移和电子转移。该正材料在50 mA·g^-1下的初始容量达到380 mAh·g^-1，且具有较好的长期循环稳定性（容量保持超过 3000 次循环）。

值得一提的是，该团队通过利用台式X射线吸收精细结构谱仪（easyXAFS300+）获得了V k边的边前及近边结构谱图，并对Al³⁺掺杂的VOH 正材料进行了深入的研究，从而揭示了引入Al³⁺后，VOH的结构变化及充放电过程中的有利作用等。

参考文献：

[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.

环境修复：台式XAFS/XES谱仪分析检测Cr元素的应用

美国华盛顿大学Gerald Seidler教授通过实验室XAFS/XES谱仪完成了环境和工业制成品中Cr元素的价态和含量的分析。 

图1显示了XAFS光谱Cr近边区结果（XANES）。研究人员利用台式XAFS技术轻松对铬元素进行分析检测，不仅完成了标准品化合物K2CrO4的测试及拟合分析，同时也实现了对实际生产样品的表征。

图1. XAFS近边区光谱（a）六价参考化合物，铬酸钾；（b）CRM 8113a是基于RoHS描述的用于重金属分析的认证参考材料

台式XAFS谱仪也同时配置了XES模组，通过激发特定元素内层电子后使外层电子产生弛豫并发射X射线荧光，对其能量和强度进行分析可以的给出目标元素的氧化态、自旋态、共价、质子化状态、配体环境等信息。由于不依赖于同步辐射，且得益于特有的单色器设计，可以在实验室内实现高分辨宽角高通量的XES元素分析（包括P, S, V，Zn, Cr, Ni, As, U, etc.）。在图2中，在未知Cr含量的塑料样品中，当拟合Cr元素XES Kα光谱时，可以充分观察到Cr的各种氧化态之间的精细光谱变化，且测试结果与同步辐射XAFS一致。对比Cr(VI)和Cr（III），可以在高于20 meV的能量分辨率下轻松辨别光谱特征的差异。Cr（III）在价态上具有更高电子密度，其光谱将会向更高的能量方向移动，且相对于Cr(VI)峰变宽，可以明显区分出Cr(VI)和Cr（III）。

图2. 背景扣除和积分归一化后的Cr(VI)和Cr（III）铬化合物的Cr Kα XES 光谱

此外，从标准塑料样品中收集的XES光谱（图3），利用线性superposition analysis技术，经拟合与参考化合物光谱的线性叠加，推断出的Cr(III)/Cr(VI)比例再结合传统的XRF技术，就可以实现Cr(VI) ppm别的定量分析。

图3. 不同样品中Cr Kα XES光谱的垂直偏移（所有光谱均经过背景校正和归一化）

XAFS/XES技术不仅可以应用于多种聚合物样品中Cr元素的测定，同时也可应用于P、S、V、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、Au、As、U等元素分析。此方法是无损测试，只需少量的样品，就可由实验室测试仪easyXAFS完成。基于实验室XAFS/XES的Cr测量可能成为未来环境领域及工业届的标准测试方法。

储能材料：台式XAFS谱仪在能源存储材料研究中的应用

因具有优异的初始可逆性和较为容易的 Li⁺嵌入和脱出结构，DRS是一种很有潜力的高比能正材料。特别是Mn基无序岩材料，因其具有无毒、低价格等特性，得到广泛的关注和研究。然而，目前该类材料都存在循环寿命短和严重的容量衰减等问题。德国卡尔斯鲁厄理工大学的Maximilian Fichtner教授及其他合作者结合了利用高价Ti⁴⁺离子及部分F^-离子取代O等策略，使得该材料展现了长循环条件下更加优异的电化学性能和库伦效率。值得注意的是，该团队利用了台式X射线吸收精细结构谱仪（台式easyXAFS300+），成功的揭示了不同含量Ti⁴⁺替代对材料中Ti元素和Mn元素的价态影响，进一步验证了高价Ti离子替代策略背后的作用机理及对电化学性能的影响。

图1. (a) 不同Ti含量样品的Ti k edge XANES对比谱图（b）XANES放大图谱（c）不同Ti含量样品的Mn k edge XANES对比谱图（d）XANES放大图谱

测试数据

1、XAFS300/XAFS300+

(a, b)金属Ni箔的EXAFS(扩展边X射线吸收精细结构谱) 图及相应的R空间傅里叶转换以及与同步辐射光源数据比较；

(c, d) 不同Ce和U元素的化合物的L3的XANES（近边X射线吸收结构谱图）及其与同步辐射光源数据比较

2、XES150

■   XES Mode 

■   XAFS Mode