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XRD到底可以做些什么?

撰稿人:研之成理  来源:研之成理  发布时间:2017-02-16

前言:

 

物有本末,事有终始;知所先后,则近道矣。

 

作为结构研究的一种重要方法,XRD在催化材料和其他材料的研究中都具有非常重要的应用。本着温故知新的态度,研之成理刻意抽出几期来简单地梳理下XRD的一些基础知识,希望能够帮助大家更加全面地了解这一表征手段。(注:本次分享只讨论多晶衍射,单晶衍射后期会出独立的专题,敬请期待)

 

 

 

与物理吸脱附实验不同,本次分享我们从实用开始,原理的分析放到后面,今天的内容很简单,简单聊聊XRD到底可以做什么?

 

1. XRD研究的是材料的体相还是表面相?

XRD采用单色X射线为衍射源,一般可以穿透固体,从而验证其内部结构,因此XRD给出的是材料的体相结构信息。

 

2. XRD是定性分析手段还是定量分析手段?

XRD多以定性物相分析为主,但也可以进行定量分析。通过待测样品的X 射线衍射谱图与标准物质的X 射线衍射谱图进行对比,可以定性分析样品的物相组成;通过对样品衍射强度数据的分析计算,可以完成样品物相组成的定量分析.

3. XRD进行定性分析时可以得到哪些有用信息?

A. 根据XRD谱图信息,可以确定样品是无定型还是晶体:无定型样品为大包峰,没有精细谱峰结构;晶体则有丰富的谱线特征。把样品中最强峰的强度和标准物质的进行对比,可以定性知道样品的结晶度。

B. 通过与标准谱图进行对比,可以知道所测样品由哪些物相组成(XRD最主要的用途之一)。基本原理:晶态物质组成元素或基团如果不相同或其结构有差异,它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度以及衍射峰形上会显现出差异(基于布拉格方程,后面会详细解析)。

C. 通过实测样品和标准谱图2θ值的差别,可以定性分析晶胞是否膨胀或者收缩的问题,因为XRD的峰位置可以确定晶胞的大小和形状。

 

4. XRD可以用于定量分析哪些内容?

A. 样品的平均晶粒尺寸,基本原理:当 X 射线入射到小晶体时,其衍射线条将变得弥散而宽化,晶体的晶粒越小, x 射线衍射谱带的宽化程度就越大。因此晶粒尺寸与XRD谱图半峰宽之间存在一定的关系, 即谢乐公式(Scherrerequation),下期会详细分析其原理与注意事项。

 

对于对于负载型催化剂表面的金属颗粒,其颗粒大小 d(单位 nm)与其分散度 D 之间可以简单地换算:d ≈ 0.9/D (注:0.9这个常数是经验值) 

 

B. 样品的相对结晶度:一般将最强衍射峰积分所得的面积(As)当作计算结晶度的指标,与标准物质积分所得面积(Ag)进行比较,结晶度=As/Ag*100%。

 

C. 物相含量的定量分析:主要有K值法也叫RIR方法和Rietveld全谱精修定量等。其中,RIR法的基本原理为1:1混合的某物质与刚玉(Al2O3),其最强衍射峰的积分强度会有一个比值,该比值为RIR值。通过将该物质的积分强/RIR 值总是可以换算成Al2O3的积分强度。对于一个混合物而言,物质中所有组分都按这种方法进行换算,最后可以通过归一法得到某一特定组分的百分含量。

 

D. XRD还可以用于点阵常数的精密计算,残余应力计算等(黄继武老师主编的《多晶材料X射线衍射:实验原理、方法与应用》)

 

5. 推荐参考书籍及分析软件

参考书籍:李树棠等主编《晶体X衍射学基础》;黄继武等主编《多晶材料X射线衍射:实验原理、方法与应用》;辛勤等主编《现代催化研究方法》等

 

分析软件:Jade 5.0或者6.5

6. XRD晶体数据库

无机晶体结构数据库(ICSD):https://icsd.fiz-karlsruhe.de/search/

国际衍射数据中心(ICDD): http://www.icdd.com/

剑桥晶体数据中心(CCDC): http://www.ccdc.cam.ac.uk/

 

 



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