同步辐射及其在无机材料中的应用进展
刘云鹏, 盛伟繁, 吴忠华
无机材料学报
2021, 36 ( 9):
901-918.
DOI:10.15541/jim20200703
同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。
View image in article
图3
n型(a)和p型(b)SnSe的原位高温X射线衍射图谱[39]
正文中引用本图/表的段落
热电技术能够收集废热并将其直接转化为电能, 北京航空航天大学赵立东团队[39]研究了SnSe的热电性能。已往的研究表明层状材料的热导率在平面外方向最低(2D声子输运), 而用Br掺杂制备的n型SnSe晶体在773 K下的最大热电优值(ZT)达到(2.8±0.5)。这是因为Sn和Se的p电子在导带最小值附近离域(CBM)有助于更多的轨道交叠出平面(bc)的方向(a轴方向), 使n型SnSe晶体具有交叠的层间电荷密度(3D电荷传输)。他们利用原位高温同步辐射XRD技术观察到n型SnSe晶体经历了一个连续地从Pnma到Cmcm的相变, 该相变开始于临界温度(800 K)以下的600 K左右, 如图3所示。XRD结果揭示连续的相变提高了n型SnSe晶体的对称性, 分散了两个会聚的导带, 提高了载流子迁移率, 同时保持了较大的泽贝克系数。这一研究为探索新型高效热电材料提供了新思路, 并为二维层状材料提供了一种增强平面外电输运性能但不降低热性能的新策略。
(a) Representative XRD patterns of (BA) 4AgBiBr 8 at selected pressures up to 25.0βGPa. The magnification factor of the peak intensities in the left panel is two times that of the right panel; (b) Crystal structure of (BA) 4AgBiBr 8 perpendicular to the c axis (perpendicular to a axis, phase II). Pink and green octahedra represent [AgBr 6]5- and [BiBr 6]3- octahedra, respectively; (c) Crystal structures of (BA) 4AgBiBr 8 along (100) ((001), Phase II) with increasing pressure. Ag-Br octahedra are shown in pink. Bi-Br octahedral are shown in green; (d)βIllustrations of Bi-Br1-Ag bond angle within the inorganic layers framework before and after the phase transition. (1 atm=1.01×105 Pa) ... A high-capacity O2-type Li-rich cathode material with a single-layer Li2MnO3 superstructure 1 2018 ... 在充放电过程中, 电池正负极材料结构的变化或中间产物物相与成分的确定对于实现大容量阳极材料、高能量密度电池具有指导意义, 常规XRD技术[34]在这样一些物质结构的测量中也能发挥重要作用.时间分辨的X射线衍射技术用于监测无机材料晶体结构的动态演变过程更是不可或缺.中国科学院大学的刘向峰课题组[35,36]利用北京同步辐射装置4B9A束线X射线衍射站所装配的一维弧形Mythen探测器[37,38]对Li-O2(或Na-O2)电池原位放电过程中Co3O4纳米片(或CoO/CoP异质结构纳米片)电催化剂的结构演变开展研究, 揭示了放电过程中电催化过程以及反应产物的物相演变.这些时间分辨的动态过程研究对于可充电电池的高性能无机催化剂材料设计具有重要意义. ... Boosting the electrocatalytic activity of Co3O4 nanosheets for a Li-O2 battery through modulating inner oxygen vacancy and exterior Co3+/Co2+ ratio 1 2017 ... 在充放电过程中, 电池正负极材料结构的变化或中间产物物相与成分的确定对于实现大容量阳极材料、高能量密度电池具有指导意义, 常规XRD技术[34]在这样一些物质结构的测量中也能发挥重要作用.时间分辨的X射线衍射技术用于监测无机材料晶体结构的动态演变过程更是不可或缺.中国科学院大学的刘向峰课题组[35,36]利用北京同步辐射装置4B9A束线X射线衍射站所装配的一维弧形Mythen探测器[37,38]对Li-O2(或Na-O2)电池原位放电过程中Co3O4纳米片(或CoO/CoP异质结构纳米片)电催化剂的结构演变开展研究, 揭示了放电过程中电催化过程以及反应产物的物相演变.这些时间分辨的动态过程研究对于可充电电池的高性能无机催化剂材料设计具有重要意义. ... CoO/CoP heterostructured nanosheets with an O-P interpenetrated interface as a bifunctional electrocatalyst for Na-O2 battery 1 2018 ... 在充放电过程中, 电池正负极材料结构的变化或中间产物物相与成分的确定对于实现大容量阳极材料、高能量密度电池具有指导意义, 常规XRD技术[34]在这样一些物质结构的测量中也能发挥重要作用.时间分辨的X射线衍射技术用于监测无机材料晶体结构的动态演变过程更是不可或缺.中国科学院大学的刘向峰课题组[35,36]利用北京同步辐射装置4B9A束线X射线衍射站所装配的一维弧形Mythen探测器[37,38]对Li-O2(或Na-O2)电池原位放电过程中Co3O4纳米片(或CoO/CoP异质结构纳米片)电催化剂的结构演变开展研究, 揭示了放电过程中电催化过程以及反应产物的物相演变.这些时间分辨的动态过程研究对于可充电电池的高性能无机催化剂材料设计具有重要意义. ... Application of Mythen detector: in-situ XRD study on the thermal expansion behavior of metal indium 1 2016 ... 在充放电过程中, 电池正负极材料结构的变化或中间产物物相与成分的确定对于实现大容量阳极材料、高能量密度电池具有指导意义, 常规XRD技术[34]在这样一些物质结构的测量中也能发挥重要作用.时间分辨的X射线衍射技术用于监测无机材料晶体结构的动态演变过程更是不可或缺.中国科学院大学的刘向峰课题组[35,36]利用北京同步辐射装置4B9A束线X射线衍射站所装配的一维弧形Mythen探测器[37,38]对Li-O2(或Na-O2)电池原位放电过程中Co3O4纳米片(或CoO/CoP异质结构纳米片)电催化剂的结构演变开展研究, 揭示了放电过程中电催化过程以及反应产物的物相演变.这些时间分辨的动态过程研究对于可充电电池的高性能无机催化剂材料设计具有重要意义. ... Mythen detector for X-ray diffraction at the Beijing synchrotron radiation facility 1 2016 ... 在充放电过程中, 电池正负极材料结构的变化或中间产物物相与成分的确定对于实现大容量阳极材料、高能量密度电池具有指导意义, 常规XRD技术[34]在这样一些物质结构的测量中也能发挥重要作用.时间分辨的X射线衍射技术用于监测无机材料晶体结构的动态演变过程更是不可或缺.中国科学院大学的刘向峰课题组[35,36]利用北京同步辐射装置4B9A束线X射线衍射站所装配的一维弧形Mythen探测器[37,38]对Li-O2(或Na-O2)电池原位放电过程中Co3O4纳米片(或CoO/CoP异质结构纳米片)电催化剂的结构演变开展研究, 揭示了放电过程中电催化过程以及反应产物的物相演变.这些时间分辨的动态过程研究对于可充电电池的高性能无机催化剂材料设计具有重要意义. ... 3D charge and 2D phonon transportsleading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals 3 2018 ... 热电技术能够收集废热并将其直接转化为电能, 北京航空航天大学赵立东团队[39]研究了SnSe的热电性能.已往的研究表明层状材料的热导率在平面外方向最低(2D声子输运), 而用Br掺杂制备的n型SnSe晶体在773 K下的最大热电优值(ZT)达到(2.8±0.5).这是因为Sn和Se的p电子在导带最小值附近离域(CBM)有助于更多的轨道交叠出平面(bc)的方向(a轴方向), 使n型SnSe晶体具有交叠的层间电荷密度(3D电荷传输).他们利用原位高温同步辐射XRD技术观察到n型SnSe晶体经历了一个连续地从Pnma到Cmcm的相变, 该相变开始于临界温度(800 K)以下的600 K左右, 如图3所示.XRD结果揭示连续的相变提高了n型SnSe晶体的对称性, 分散了两个会聚的导带, 提高了载流子迁移率, 同时保持了较大的泽贝克系数.这一研究为探索新型高效热电材料提供了新思路, 并为二维层状材料提供了一种增强平面外电输运性能但不降低热性能的新策略. ...
本文的其它图/表
|
