自 1895 年伦琴发现 X 射线以来，基于 X 射线衍射技术等多种材料结构表征方法应运而生，并逐渐发展成为现代材料科学领域研究重要的实验工具。然而，在长程有序的晶体结构研究领域取得了辉煌成就的 X 射线衍射技术，对于非晶材料结构的探索却表现出无能为力。X 射线吸收精细结构谱（XAFS）作为一种材料局域结构解析的先进表征技术，利用 X 射线与结构原子相互作用时系统量子力学状态的描述，能够在短程结构范围内提供相较于 X 射线晶体衍射更加精确的原子结构配位信息。

在传统透射式 X 射线吸收光路几何的设计中，考虑到系统能量分辨率和信噪比要求，必须采用具有高亮度、大范围连续波长可调、高偏振性及小发散角特点的 X 射线光源，受限于实验室 X 射线光管的通量密度和源尺寸，X 射线吸收精细结构谱表征难以在普通实验室开展，只能借助同步辐射光源。对此，HP Spectroscopy 公司经过十余年的光谱仪系统设计与改进，搭建了基于非扫描式 von Hamos 几何结构的台式 X 射线吸收精细结构谱仪，该谱仪采用高分辨、高反射率的 HAPG 柱面弯晶作为色散元件，能够提供 10-100 倍于传统分析晶体的光通量增益，一次摄谱能量带宽可达 1000 eV，加速了非晶材料结构及其演化过程探索的步伐，同时也开启了非扫描台式 X 射线吸收精细结构谱仪商用化的新纪元。

hiXAS—非扫描台式X射线吸收精细结构谱仪

北京众星联恒科技有限公司


非扫描台式 X 射线吸收精细结构谱仪性能优势


1. 小光源尺寸实现高能量分辨

所有实验室 X 射线光谱仪能量分辨率均受限于 X 射线光源的尺寸。传统的 X 射线光谱仪设计，为了获得高的光通量值，光源必须采用高功率的 X 射线光管，其产生的大尺寸的X 射线源极大的限制了光谱的分辨能力。微焦点 X 射线源则大为不同，无狭缝的光源设计，得益于阴极发射的电子被聚焦于阳极靶材的一点，能够在微米级的光源上获得非常高的亮度，实现光子的利用率最大化和光谱的分辨能力最优化。


2. 柱面 HAPG 弯晶代替传统平晶实现光子利用率的最大化

传统透射式几何的 X 射线吸收谱仪光路受限于分析晶体反射率和分辨率的矛盾，必须通过提高光源的电子束功率来增强光通量值。对于 HAPG 晶体而言，其特点在于能够在一定曲率面型的基底上形成理想的层状石墨晶体，在保证晶体高分辨率的同时，能够提供 10-100 倍于传统分析晶体的光通量增益，真正实现谱仪系统光子利用率的最大化。


3. 大靶面光子计数阵列探测器，一次摄谱获得高能量带宽的光谱图

归功于高亮度的微焦点 X 射线源、聚焦射线的柱面 HAPG 晶体以及大面阵的 HPC 探测器，高质量的 X 射线光谱能够在短时间内获得，并且根据 HAPG 晶体的几何尺寸设计，一次摄谱可获得 300-1000 eV能量带宽的光谱数据，在一定程度上满足了原位时间分辨的实验需求。


非晶材料结构及其演化过程的解析

XAFS 对材料结构的研究主要集中于负载或非负载析出相，因为它代表了活性负载非晶材料的典型。而这类材料结构的长程无序，短程有序特性，使得 XAFS 成为描述吸收原子局域结构唯一的表征方法。图1显示了 Co2+ 负载 COFs 材料的 EXAFS 结果，傅里叶变换第一壳层拟合位于1.6 Å，代表 Co-N 配位键，更长距离未观测到 Co-Co 键的拟合峰，表明 Co2+ 在 COFs 材料中形成高度分散的 Co-联吡啶位点，它具有高局域结构的有序性和弱的长程有序性。

(a) Macro-TpBy-Co 合成示意图；(b) Macro-TpBy-Co 中Co K 边 XANES 谱图，Co 和 Co3O4 为参照标准样品；(c) Co K 边 R 空间傅里叶变换 EXAFS 谱图。[J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6623−6630]

XAFS 光谱的变化是非晶材料结构演化的最有力证据，是 XRD 和 XPS 的完美补充。XPS 只能给出材料极表面的结构信息，XAFS 能够给出材料内部结构的平均统计描述，是非晶材料反应过程结构演化不可或缺的表征手段，如下图所示。

(a) La2Ni0.8Cu0.2O4 和  (b)  La1.8Ba0.2Ni0.9Cu0.1O4  在 DRM 反应前和 770 ℃冷却、DRM 反应后  30 min 及 90 min  Ni K 边 XANES 谱图，La2NiO4 和 Ni 为参照标准样品。[ACS Catal. 2021, 11, 43−59]


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