X射线吸收光谱 (XAS)

针对具体元素,解析材料局部结构与电子态

X射线吸收光谱 (XAS)

X射线吸收光谱 (XAS) 是一种强大的分析技术,用于研究材料的局域原子结构和电子态。与揭示长程晶体结构的衍射技术不同,XAS 提供关于单个原子周围紧邻环境的元素特定信息。

这使得 XAS 特别适用于研究催化剂、电池电极、纳米材料和功能性氧化物等复杂材料。

XAS 广泛应用于材料科学、化学、物理学、环境科学及生物学等多个学科。传统上,这类实验由于需要高亮度 X 射线源,一直是在同步辐射光源设施中进行的。但同步辐射机时申请受限且竞争激烈,会耗费宝贵的时间与资源。

借助 Empyrean 等现代实验室仪器,如今可直接在实验室内完成XAS 测量,轻松实现高精度的化学与结构表征。

X射线吸收光谱的工作原理

在 X射线吸收光谱实验中,特定能量的 X射线照射到样品上。当入射 X射线能量与原子内层电子的结合能匹配时,电子被激发到空置状态或从原子中弹出。

通过测量样品在吸收边内随能量变化的 X射线吸收强度,可获得 XAS 光谱。

通过比较有样品和无样品时测得的 X射线强度,并结合 Beer–Lambert 定律,计算得出吸收系数。

扫描吸收边附近一定能量范围的入射 X射线能量,即可记录详细的吸收光谱。该谱图中的精细结构,包含吸收元素的电子结构及周围原子排列信息。

XAS 光谱:XANES 和 EXAFS

XAS 光谱由两个主要区域组成,各提供不同的结构信息:X射线吸收近边结构 (XANES) 和扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS)。 

在下文了解更多相关信息。

X射线吸收近边结构 (XANES)

吸收边附近的区域(通常在约 50 eV 范围内)称为 XANES。

XANES 对以下参数具备高灵敏度:

  • 氧化态
  • 电子结构
  • 配位几何
  • 吸收原子周围的局部对称性

因此 XANES 特别适用于研究化学态变化和氧化还原过程。

扩展 X射线吸收精细结构 (EXAFS)

近边区域以外为 EXAFS 区域,可延伸至吸收边以上数百电子伏特。

EXAFS 谱图中出现的波动信号,源于出射光电子与相邻原子散射波之间的干涉作用。

分析这些波动信号可得到以下详细数据:

  • 邻近原子距离
  • 配位数
  • 结构无序度
  • 局部原子排列

因此,即便体系缺乏长程有序,EXAFS 仍是测定材料局部结构的强大工具。

通过 XAS 可获得的信息

X射线吸收光谱 (XAS) 可提供材料内具体元素局部化学与结构环境的详细洞察。

通过 XAS 可获得的关键信息包括:

  • 元素的氧化态
  • 邻近原子的配位数
  • 原子间距离
  • 局域键合几何构型
  • 周围配体类型
  • 吸收原子周围的结构无序度

由于 XAS 具有元素特异性,即便在复杂混合物、多相材料中,也可选择性地探测单个元素。

为何在实验室开展 XAS 测试?

同步辐射光源设施虽提供高强度 X射线源,但机时受限且需提前排期。

基于实验室的 XAS 可帮助科研人员实现:

  • 快速开展探索性研究
  • 长时间持续监测实验进程
  • 在同步辐射测量前制备样品
  • 将 XAS 与 X射线衍射等互补技术联用

借助 Empyrean XAS,研究人员可在自己的实验室内灵活开展 XAS 测试。

了解更多关于 XAS 应用的信息

了解 X射线吸收光谱如何助力以下关键应用领域的研究:

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X射线吸收光谱仪

目前仅 Empyrean 平台搭载 XAS,让您无需离开实验室即可获得同步辐射级别的洞察。  Empyrean 独有地将先进的 X射线衍射 (XRD)X射线散射X射线成像及 XAS 集成于一体化的模块化科研平台。

启用 XAS 功能的 Empyrean 包含:

  • 可调入射能量控制
  • 高灵敏度透射检测
  • 专为吸收测量优化的光学系统
  • XRD 与 XAS 模式间轻松切换

独特的集成设计让单个仪器平台可同时输出结构与电子态相关数据,具体包含:物相鉴定与定量

  • 局部配位与键距
  • 氧化态判定
  • 原位实验中的结构演化

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