台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES
美国easyXAFS公司推出的台式X射线吸收精细结构谱仪，采用的X射线单色器设计，无需同步辐射光源，在常规实验室环境中实现X射线吸收精细结构测量和分析，以高的灵敏度和光源质量，实现对元素的测定、价态和配位结构分析等。此外，该设备还能够进行X射线发射谱测试(XES)，该表征本质上是超高能量分辨率的X射线荧光光谱(high-resolution XRF)。XAFS和XES可以对样品的局部电子结构实现信息互补。广泛应用于电池、催化剂、环境、放射性化学、地质、陶瓷等研究领域。
XAFS/XES 设备特点 - 无需同步辐射光源 - 科研别谱图效果 - 台式设计，实验室内使用 - 可外接仪器设备，控制样品条件 - 可实现多个样品或多种条件测试 - 操作便捷、维护成本低 | XAFS/XES 设备参数 X射线源： XAFS: 1.2-kW XRD(Mo/Ag) XES: 100W XRF 空冷管(Pd/W) 能量范围：4.9-20.5keV 分辨率：0.5-1.5eV 样品塔：8位自动样品轮 布拉格角：55-85 deg |
设备型号
XAFS300 高功率版，固定光源模式，采用1200W 功率X射线管作为X射线光源，与光学模块和探测器组装。台式X射线吸收精细结构(XAFS)谱仪提供了透射模式测量，适用于储能或催化等领域的研究和开发。可升为XAFS300+型号。 | 高功率版，兼容XAFS和XES功能，固定光源模式。该型号使用与XAFS300相同的高功率1200W射线管作为光源，用于X射线吸收谱功能XAFS；同时配备低功率100W 的X射线管和电源，用于X射线发射谱测试(XES)。 | XES150 低功率版，采用固定光源模式，采用100W 功率X射线管作为X射线光源，具备与同步辐射装置相媲美的硬X射线发射光谱(XES)功能，和透射X射线吸收谱(XAFS)功能。光学系统模块化，能量范围功率可调。 |
应用案例
催化剂研究：实验室X射线吸收谱（XAFS）助力解析缺陷位点在OER反应中的作用机制
表面缺陷调控工程被认为是提高催化剂催化活性的一种方法。因为表面缺陷工程可以有效调控活性位点的配位环境，从而优化催化剂的电子结构，实现电子转移和中间产物（*OH、*O和*OOH）吸附自由能的优化，大大提升催化反应效率。层状双金属氢氧化物（LDH）因其在水氧化（OER）反应中的优异性能而被广泛研究。而表面缺陷的引入将进一步提升其在OER中的催化效率。近期，郑州大学马炜/周震教授及其他合作者成功揭示了NiFe双金属氢氧化物纳米片中表面缺陷对于OER反应的巨大提升作用，同时通过结合X射线吸收谱（台式easyXAFS300+，美国easyXAFS公司），成功揭示了氧化前后催化剂的精细结构变化，为表面缺陷在催化反应中的作用机制提供数据支撑，相关研究成果发表于Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9(25): 14432-14443.
图1. (a) Ni1/2Fe1/2(OH)2/CNT-24及其他样品的XAFS图，Ni k edge（b）径向距离χ(R)空间谱，（c）χ(R)空间拟合曲线图，（d）k2χ(k)空间谱拟合曲线
电池材料：实验室台式XAFS在高性能水系锌离子电池研究中的应用
美国华盛顿大学曹国忠教授等人合作在Nano Energy上发表了题为“Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate”的水系锌离子电池相关研究成果。该研究通过水热合成法引入Al3+，有效的改善了纯水合氧化钒 (VOH) 正材料用于水系锌电池中的缺点：包括提升其离子迁移率和循环稳定性等[1]。Al3+的成功掺入，在改变V原子局部原子环境的同时，增加了材料中V4+的含量，使得合成的 Al-VOH 材料具有更大的晶格间距和更高的电导率，实现了Zn2+的快速迁移和电子转移。该正材料在50 mA·g-1下的初始容量达到380 mAh·g-1，且具有较好的长期循环稳定性（容量保持超过 3000 次循环）。
值得一提的是，该团队通过利用台式X射线吸收精细结构谱仪（easyXAFS300+）获得了V k边的边前及近边结构谱图，并对Al3+掺杂的VOH 正材料进行了深入的研究，从而揭示了引入Al3+后，VOH的结构变化及充放电过程中的有利作用等。
参考文献：
[1] Zheng J, Liu C, Tian M, et al. Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate[J]. Nano Energy, 2020, 70: 104519.
环境修复：台式XAFS/XES谱仪分析检测Cr元素的应用
美国华盛顿大学Gerald Seidler教授通过实验室XAFS/XES谱仪完成了环境和工业制成品中Cr元素的价态和含量的分析。
图1显示了XAFS光谱Cr近边区结果（XANES）。研究人员利用台式XAFS技术轻松对铬元素进行分析检测，不仅完成了标准品化合物K2CrO4的测试及拟合分析，同时也实现了对实际生产样品的表征。
图1. XAFS近边区光谱（a）六价参考化合物，铬酸钾；（b）CRM 8113a是基于RoHS描述的用于重金属分析的认证参考材料
台式XAFS谱仪也同时配置了XES模组，通过激发特定元素内层电子后使外层电子产生弛豫并发射X射线荧光，对其能量和强度进行分析可以的给出目标元素的氧化态、自旋态、共价、质子化状态、配体环境等信息。由于不依赖于同步辐射，且得益于特有的单色器设计，可以在实验室内实现高分辨宽角高通量的XES元素分析（包括P, S, V，Zn, Cr, Ni, As, U, etc.）。在图2中，在未知Cr含量的塑料样品中，当拟合Cr元素XES Kα光谱时，可以充分观察到Cr的各种氧化态之间的精细光谱变化，且测试结果与同步辐射XAFS一致。对比Cr(VI)和Cr（III），可以在高于20 meV的能量分辨率下轻松辨别光谱特征的差异。Cr（III）在价态上具有更高电子密度，其光谱将会向更高的能量方向移动，且相对于Cr(VI)峰变宽，可以明显区分出Cr(VI)和Cr（III）。
图2. 背景扣除和积分归一化后的Cr(VI)和Cr（III）铬化合物的Cr Kα XES 光谱
此外，从标准塑料样品中收集的XES光谱（图3），利用线性superposition analysis技术，经拟合与参考化合物光谱的线性叠加，推断出的Cr(III)/Cr(VI)比例再结合传统的XRF技术，就可以实现Cr(VI) ppm别的定量分析。
图3. 不同样品中Cr Kα XES光谱的垂直偏移（所有光谱均经过背景校正和归一化）
XAFS/XES技术不仅可以应用于多种聚合物样品中Cr元素的测定，同时也可应用于P、S、V、Zn、Cr、Fe、Co、Ni、Au、As、U等元素分析。此方法是无损测试，只需少量的样品，就可由实验室测试仪easyXAFS完成。基于实验室XAFS/XES的Cr测量可能成为未来环境领域及工业届的标准测试方法。
储能材料：台式XAFS谱仪在能源存储材料研究中的应用
因具有优异的初始可逆性和较为容易的 Li+嵌入和脱出结构，DRS是一种很有潜力的高比能正材料。特别是Mn基无序岩材料，因其具有无毒、低价格等特性，得到广泛的关注和研究。然而，目前该类材料都存在循环寿命短和严重的容量衰减等问题。德国卡尔斯鲁厄理工大学的Maximilian Fichtner教授及其他合作者结合了利用高价Ti4+离子及部分F-离子取代O等策略，使得该材料展现了长循环条件下更加优异的电化学性能和库伦效率。值得注意的是，该团队利用了台式X射线吸收精细结构谱仪（台式easyXAFS300+），成功的揭示了不同含量Ti4+替代对材料中Ti元素和Mn元素的价态影响，进一步验证了高价Ti离子替代策略背后的作用机理及对电化学性能的影响。
图1. (a) 不同Ti含量样品的Ti k edge XANES对比谱图（b）XANES放大图谱（c）不同Ti含量样品的Mn k edge XANES对比谱图（d）XANES放大图谱
测试数据
1、XAFS300/XAFS300+
(a, b)金属Ni箔的EXAFS(扩展边X射线吸收精细结构谱) 图及相应的R空间傅里叶转换以及与同步辐射光源数据比较；
(c, d) 不同Ce和U元素的化合物的L3的XANES（近边X射线吸收结构谱图）及其与同步辐射光源数据比较
2、XES150
■ XES Mode
■ XAFS Mode
XAFS for 3d-transition metals easyXAFS硬x射线能谱仪具有宽的能量范围，可以测量从Ti到Zn的所有三维过渡金属的高质量XANES和EXAFS。这些元素在从电池到催化、环境修复等现代研究的关键领域至关重要。 | Fe\Mn\Ni\Co\Cu XANES & XES Kβ data 用easyXAFS300+测量了Fe\Mn\Ni\Co\Cu XANES 谱图及 Fe XES Kβ数据，分别提供元素价态及自旋态的数据支撑。 Adv. Func. Mater. 2022, 2202372。 |
Cu EXAFS easyXAFS光谱仪探测了Cu K-edge X射线近边吸收谱（XANES）。实现材料元素价态及配位结构的解析对MOFs材料的性能及机理研究尤为重要。 J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4515?4521 | Ni EXAFS easyXAFS硬x射线光谱仪拥有与同步加速器匹配的高能量分辨率。实现对Ni近边区XANES和扩展边区EXAFS的高质量数据采集。 J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 14432–14443 |
Fe EXAFS 高性能Fe K-edge 扩展边到k = 14 ?，样品为Fe金属箔。EXAFS提供了对局部结构和配位环境的数据测量。 | NMC Ni K-edge 高性能NMC 442和NMC 811电池电的Ni K-edge XANES谱图。Ni K-edge位置的变化反映了不同NMC组成导致Ni氧化态的变化。 J. Electrochem. Soc., 2021, 168, 050532 |
Co K-edge Rapid XANES easyXAFS硬x射线光谱仪能够与同步加速器匹配的能量分辨率高质量的数据收集。优异的性能可以在几分钟内实现。这使得在短时间内收集大数据集以及实时跟踪反应过程成为可能。 | Pr L3-edge XANES Pr2O3和Pr6O11的L3边XANES数据表明对Pr氧化状态变化的敏感性。用easyXAFS300光谱仪测量。 |
V XANES 利用台式X射线吸收精细结构谱仪获得了V k边的边前及近边结构谱图，揭示了引入Al3+后，VOH的结构变化及充放电过程中的有利作用。 Nano Energy, 2020, 70, 104519 | Cr Kα XES 用easyXAFS光谱仪测量了不同氧化态的Cr Kα X射线，兼具高能量分辨率及X射线荧光的高灵敏度。 Anal. Chem. 2018, 90, 11, 6587–6593 |
V EXAFS V K-edge EXAFS显示了easyXAFS谱仪与同步辐射光源相匹配的高k值下的优异表现。 | Fe Oxide XANES data 用easyx150光谱仪测量Fe和Fe(III) [Fe2O3]的Fe K-edge，利用XANES对氧化态差异进行表征。 |
Ti\Mn XANES data easyXAFS谱仪获取Ti元素和Mn元素的价态变化，进一步验证了高价Ti离子和部分F离子替代后策略背后的作用机理。 Chem. Mater. 2021, 33, 21, 8235–824 | Mn&Fe EXAFS easyXAFS谱仪获取Ti元素和Mn元素的XANES和EXAFS谱图，解析化学价态及局部配位结构。 Adv. Func. Mater. 2022, 2202372 |
Fe oxide XES(low weight %) Fe Kβ 光谱测量浓度低至0.25 wt. %，测量时间仅为4分钟。X射线发射谱XES非常适合于低元素浓度。 | XES-Se VTC 在easyXES150光谱仪上对金属Se和Na2SeO4的价带→核心的XES测量。12639 eV处出现的附加峰反映了Na2SeO4中硒价电子的价电子结构的变化，这可能是由于与氧的轨道混合所致。 |
XES- Ni VTC 用easyXAFS光谱仪测量了不同化合物的Ni Kβ XES，在高能量分辨率下，显示了对X射线荧光的灵敏度。 Adv. Mater. 2021, 2101259 | |
发表文章
超过50+SCI论文通过使用台式XAFS/XES发表
部分发表文章举例：
1. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8718?8724
2. Chem. Mater. 2018, 30, 5373?5379
3. Chem. Mater. 2018, 30, 6377?6388
4. J. Mater. Chem. A, 2019,7, 17966-17973
5. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 16647-16655
6. Small, 2019, 15, 1901747
7. J. Electrochem. Soc., 2019, 166, A2549-A2555
8. Chem. Mater. 2020, 32, 8203?8215
9. J. Mater. Chem. A, 2020,8, 16332-16344
10. Nano Energy, 2020,70, 104519
11. Energy Stor. Mater. 2020, 29, 9-16
12. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9127–9134
13. Chem. Mater. 2021, 33, 8235?8247
14. J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 14432-14443
15. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 27308-27318
16. Green Chem., 2021, 23, 9523–9533
17. Adv. Mater., 2021, 33, 2101259
18. J. Electrochem. Soc., 2021 168 050532
19. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4515?4521
