Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) - это передовая аналитическая технология, основанная на источнике синхронного излучения, которая раскрывает информацию о локальном электронном состоянии и геометрической структуре атома путем измерения абсорбционных свойств материала к рентгеновским лучам. Его основные принципы можно разбить на два измерения: физические процессы и энергетические разделы:
Физические процессы: электронные переходы и интерференция рассеяния
Когда энергия рентгеновского излучения достигает ионизирующей энергии электронов во внутреннем слое атома, таких как K, L - слой, электроны возбуждаются как фотоэлектроны, образуя скачок на краю поглощения. Фотоэлектроны распространяются наружу в виде волновых функций, при столкновении с ближайшими атомами происходит упругое рассеяние (обратное рассеяние), а волны рассеяния и исходящие волны вмешиваются в поглощающие атомы, что приводит к периодическому колебанию коэффициента поглощения с энергией. Этот процесс можно количественно описать по закону Ламбера - Билла: соотношение между коэффициентом поглощения μ (E) и толщиной образца d, интенсивностью падения I ₀ и интенсивностью пропускания I составляет I = I0 ₀ e - μ (E) d.
Раздел энергии: совместный анализ XANES и EXAFS
Рентгеновская абсорбционная периферийная структура (XANES)
Сосредоточьтесь на зоне сильных колебаний от 10 эВ до 50 эВ после края поглощения, отражающей эффект множественного рассеяния фотоэлектронов и близлежащих атомов. Характеристики его спектрограммы (например, фронтальные пики, плечевые пики) напрямую связаны с распределением плотности электронов, поглощающих атомы, например, путем количественного анализа изменений валентного состояния элементов путем смещения положения края поглощения (например, различия между Fe² и Fe³), а наличие передних пиков раскрывает информацию о незанятых молекулярных орбитах.
Расширенная тонкая структура поглощения рентгеновских лучей (EXAFS)
Покрытие слабой колебательной области 50 - 1000 эВ после края поглощения происходит от эффекта однократного рассеяния фотоэлектронов. Преобразование осцилляционных сигналов в функции радиального распределения через преобразование Фурье позволяет получить точную информацию о длине координатной атомной связи (с точностью до 0,01 а), нормировании и неупорядоченности. Например, в исследованиях материалов литий - ионных батарей EXAFS может выявить эволюцию аддитивной среды переходных металлов (таких как Ni, Co) в процессе зарядки и разрядки.
Экспериментальный метод: мультимодальная адаптация и представление на месте
Режим пропускания
Применяется для образцов с высокой концентрацией (например, порошка, пленки), коэффициент поглощения рассчитывается путем измерения отношения интенсивности рентгеновского излучения к пропусканию. Толщина образца должна контролироваться, чтобы избежать эффекта самопоглощения, обычно используемого для статического анализа кристаллических, аморфных и жидких образцов.
Режим флуоресценции
Обратное поглощение с использованием интенсивности флуоресцентного сигнала, излучаемого после возбуждения атома - мишени, подходит для низких концентраций или одноатомных систем (например, поверхностно - активных участков катализатора). Например, в исследовании Pt - катализатора топливного элемента флуоресцентный режим может точно определять состояние компоновки атомов Pt на поверхности.
Оригинальная / operando технология
В сочетании с высоковольтной, высокой и низкой температурой или электрохимической средой отслеживайте структурную динамику материала во время реакции в режиме реального времени. Например, в исследованиях электрокаталитического восстановления CO2z исходный XAS может выявить изменения валентного состояния активных участков катализатора и механизм реконструкции распределения.
Технологические преимущества и типичное применение
XAS не имеет строгих требований к форме образца (порошок, жидкость, газ могут) и не разрушает образец, широко используется в области материаловедения, хранения энергии, мониторинга окружающей среды и других областях. Например, в исследованиях полупроводниковых материалов, легированных редкоземельными элементами, XAS может одновременно анализировать локальные структурные искажения и распределение электронов; В области биомедицины XAS может представлять среду распределения ионов металлов в металлических белках, таких как гемоглобин, обеспечивая структурную основу для разработки лекарств.
Благодаря совместному анализу XANES и EXAFS, в сочетании с прозрачными, флуоресцентными и экспериментальными режимами на месте, XAS стал ключевым инструментом для выявления взаимосвязи между структурой и производительностью атомного масштаба материала, способствуя скачкообразному развитию от фундаментальных исследований до промышленных применений.