國創(chuàng)科研 | SuperXAFS系列譜儀應用案例分享

國創(chuàng)科儀

國創(chuàng)科儀的研發(fā)團隊基于近20年大科學裝置X射線譜學研究經(jīng)驗，推出了臺式X射線吸收譜儀SuperXAFS系列產(chǎn)品，該系列憑借高質(zhì)量的X射線，出色的能量分辨率以及超精密的聯(lián)動掃描系統(tǒng)，為用戶提供了媲美同步輻射XAFS的實驗數(shù)據(jù)。

▲UOF-TFP的EXAFS表征結果

核能，由于其高能量密度和低碳污染，因此被視為一種有效的替代能源。然而，核能的可持續(xù)發(fā)展仍然受到鈾短缺和供應鏈不足的嚴重制約。因此，開展從舊的或新的來源中分離鈾的研究具有重要意義。東華理工大學羅峰團隊提出了利用原位形成π-共軛的有機配體與鈾結合為二維鈾有機骨架結構來實現(xiàn)鈾的分離。

研究中對五種有機配體進行了篩選，并利用SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀獲得了高質(zhì)量的鈾L邊EXAFS數(shù)據(jù)，通過精細的譜圖擬合對鈾的配位結構進行了定量解析，發(fā)現(xiàn)1,3,5-三甲酰基（H3TFP）是構建鈾-有機骨架上佳配體的原因是鈾可以和H3TFP形成穩(wěn)定的平面配位結構，其中鍵長較短的是UO2的兩個U=O鍵，而鍵長較長的是鈾和H3TFP形成的六個平面U-O鍵。這種選擇性的穩(wěn)定配位結構使得H3TFP可以對溶液中的鈾實現(xiàn)全部的吸附。

▲MPc（M=Fe、Co、Ni）的EXAFS表征結果（虛線為測試結果，紅線為擬合結果）

電化學二氧化碳還原反應具有將大氣中過量二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸鹽、乙烯和乙醇等增值產(chǎn)品的潛力。然而，迄今為止，由于缺少能夠有效活化二氧化碳和持續(xù)增長碳鏈的電催化劑，反應產(chǎn)物的選擇性受到限制，其中產(chǎn)物含碳數(shù)最多至四。通過電化學串聯(lián)反應實現(xiàn)二氧化碳至多碳產(chǎn)物的合成具有重大意義。復旦大學鄭耿峰教授團隊利用SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀，通過高質(zhì)量的EXAFS譜圖測試研究了一類金屬酞菁（MPc）材料的局域配位結構。

研究中發(fā)現(xiàn)MPc（M=Fe、Co、Ni）材料呈現(xiàn)出[MN4]的配位結構，這種結構使得NiPc材料在含溴電解液中將乙烯氧化為2-溴乙醇，而在反應的對電極則由FePc將亞硝酸根離子還原為氨，進而和2-溴乙醇反應生成三乙醇胺。而將該反應與CO2還原為乙烯的反應相結合就可以實現(xiàn)將CO2還原為六碳化合物。

▲熔鹽電刻蝕前后的XANES表征結果

MXene材料憑借其二維層狀結構、高導電性和親水表面，近年來在能源存儲和轉(zhuǎn)換領域廣受關注。目前二維MXene常用的制備方法為氫氟酸或氟化物-鹽酸溶液刻蝕法，常引入影響材料導電性的–F官能團；近年來報道的路易斯熔鹽刻蝕法不可避免地在MXene中殘留有金屬雜志，在后續(xù)應用或表面改性過程中必須采用氧化性酸去除。上海應用物理研究所王建強研究員團隊研發(fā)了熔鹽電刻蝕方法（MS-E-etching）制備二維層狀材料Ti3C2Tx（T=O、S），并在SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀的幫助下，通過精細的Ti K邊XANES測試，對熔鹽電刻蝕的反應機理進行了研究。

測試結果顯示Ti3C2Tx的峰位相比Ti3AlC2明顯向高能方向偏移，證明了反應過程中Ti被氧化；而從譜圖結構上分析可以看出，兩個樣品的峰的近邊特征相近，而和Ti foil以及TiO2相差很大，因此證明在熔鹽電刻蝕前后Ti的局域結構保持一致。從譜圖結果可以推斷出熔鹽電刻蝕的機理是在Ti3AlC2相氧化過程中，由于Ti-Al鍵比Ti-C鍵弱，Al原子選擇性地與熔鹽中的Cl-結合形成AlCl3。450℃時AlCl3的揮發(fā)為Al原子向外擴散提供了動力。繼續(xù)在該體系中添加Li2O/Li2S，利用高溫下官能團的替代反應就獲得了含–O/–S等多種官能團的MXene。其中–O官能團修飾的Ti3C2在1M H2SO4溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。