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同步辐射吸收谱XAFS的优势及原理

2022-11-17 17:56:37 0 710

X射线吸收精细结构（X-ray Absorption Fine Structure，简称XAFS），也叫X射线吸收谱（X-ray Absorption Spectroscopy，简称XAS），是一种基于同步辐射光源、研究材料局域原子或电子结构的一种有力工具，广泛应用于催化、能源、纳米等热门领域。

XAFS的优势

1、不依赖于长程有序结构，可用于非晶态材料的研究。

2、不受其它元素干扰，可对同一材料中不同元素分别研究。

3、不受样品状态影响，可测量固体（晶体、粉末），液体（溶液、熔融态）和气体等。

4、对样品无破坏，可进行原位测试。

5、能获得高精度的配位原子种类、配位数及原子间距等结构参数，一般认为原子间距精确度可达0.01Å。

XAFS的原理

当X射线穿过材料时会因为吸收而发生强度衰减，根据比尔定律，这种衰减可以通过吸收系数来表示：

式中：I0和It分别为入射X射线和透射X射线的强度；x（mm）为样品厚度；μ（E）是依赖于光子能量的吸收系数。XAFS就是基于X射线吸收系数的能量依赖性精细结构。吸收系数与入射X射线能量之间的关系受基本化学状态和局部环境的影响，可分为边前、边后和扩展边区域。当入射X射线能量低于电子结合能时，电子不会被激发到高能非占据轨道或真空；此时X射线与电子的弱相互作用导致 μ（E）-E谱中出现平坦区域；一些符合跃迁定则的较低能跃迁也可在此区域表现为边前峰。当X射线能量足够高时，芯电子被激发至高能非占据轨道，μ（E）显著增大，边前区和近边区对被检测元素的氧化态和电子水平敏感，因此一起称为XANES。XANES包含丰富的结构信息，可以从配位化学、分子轨道、能带结构和多重散射等方面进行定性描述。进一步增加X射线能量，被激发到连续态的出射和被散射电子的波函数与吸收原子的波函数相互作用，出现EXAFS；对EXAFS进行最小二乘拟合，可以得到吸收原子的键长和配位数等局域配位信息。

文献：

[1]任诗杰,谯思聪,刘崇静,张文华,宋礼.铂单原子催化剂同步辐射X射线吸收谱的研究进展[J].高等学校化学学报,2022,43(09):107-120.

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同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射（也叫同步光）。同步辐射是电磁波家族中的新生代，但却是最具潜力的一份子，覆盖了红外、可见、紫外和X光波段。同步辐射装置更像超级大功率显微镜，帮助我们探索自然界更多的奥秘。XANES可以得到吸收原子的电子结构，包括价态、对称性、轨道占据等信息；EXAFS可以得到吸收原子周围配位信息，包括配位原子种类、键长、配位数、无序度等。

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