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。
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图5
Ag纳米颗粒的扩散聚集生长机制示意图[43]
正文中引用本图/表的段落
利用原位动态的SAXS技术[43,44,45,46]可研究无机材料合成过程中的颗粒形核、生长、演化和结构转变过程。YAN等[43,44,45]利用原位动态SAXS技术对Ag纳米材料的形核生长过程进行了研究。在研究Ag纳米颗粒的形核生长过程时[43], 分别对四种初始Ag+浓度为2、4、6和8 mmol/L的反应溶液进行了时间分辨的SAXS研究, 从实验上确定了四种Ag+初始浓度下Ag纳米颗粒的形核半径, 以及Ag纳米颗粒大小随时间的变化。依据实验结果, 提出了Ag纳米颗粒生长的扩散团聚(Diffusion-coalescence Model, DC Model)模型如图5所示。该模型的主要思路是先形成的银核或颗粒在布朗运动驱使下在溶液中扩散, 使银颗粒间有一定概率互相碰撞而结合长大。基于这一思路导出了Ag颗粒尺寸R随反应时间t变化的关系如下:
Colorful figures are available on website ... Studies in X-ray diffraction. Part I: the structure of amorphous scattering. Part II: colloidal solutions and liquid mixtures 1 1930 ... 散射是X射线与物质相互作用的主要形式之一.从起源上来说, X射线与物质相互作用过程中不引起X射线能量改变的过程大都可归为X射线受物质中电子散射的作用过程, 比如X射线衍射现象就发生在被物质(此时为晶体)不同部位(此时为晶面)散射的X射线在某个散射方向上光程差为波长的整数倍或相位差为2p的整数倍.从这种意义上来说, X射线散射是普遍的, 对任何形态的物质都可能发生X射线散射; 而X射线衍射仅是一种特殊情况下的散射结果, 仅具有周期结构的物质或晶体才可能出现X射线衍射.小角X射线散射(SAXS)是最具代表性的X射线散射应用之一.在20世纪30年代初, Krishnamurti[40]和Warren[41]首先发现了SAXS现象.此后, Guinier等[42]建立并发展了SAXS理论.随着同步辐射光源的应用, 同步辐射小角X射线散射(SR-SAXS)技术得到了广泛的应用.SAXS技术通常用于研究物质内部等同电子密度区域(或颗粒)大小约1~100 nm的几何结构; 所适用的样品状态可以是固体、粉末、胶体和液体; 样品中的颗粒可以是有序排列, 亦可以是完全无序分布.SAXS技术已被广泛用于探测无机纳米材料、介孔材料、薄膜等多散体系的纳米颗粒粒径或纳米孔径大小分布, 也被用于测定聚合物、纳米周期结构, 还被用于分析生物蛋白等单分散体系的散射体(颗粒、蛋白分子)形状.可以说, 同步辐射SAXS实验站是同步辐射装置用户最多的实验站之一. ... X-ray diffraction study of carbon black 1 1934 ... 散射是X射线与物质相互作用的主要形式之一.从起源上来说, X射线与物质相互作用过程中不引起X射线能量改变的过程大都可归为X射线受物质中电子散射的作用过程, 比如X射线衍射现象就发生在被物质(此时为晶体)不同部位(此时为晶面)散射的X射线在某个散射方向上光程差为波长的整数倍或相位差为2p的整数倍.从这种意义上来说, X射线散射是普遍的, 对任何形态的物质都可能发生X射线散射; 而X射线衍射仅是一种特殊情况下的散射结果, 仅具有周期结构的物质或晶体才可能出现X射线衍射.小角X射线散射(SAXS)是最具代表性的X射线散射应用之一.在20世纪30年代初, Krishnamurti[40]和Warren[41]首先发现了SAXS现象.此后, Guinier等[42]建立并发展了SAXS理论.随着同步辐射光源的应用, 同步辐射小角X射线散射(SR-SAXS)技术得到了广泛的应用.SAXS技术通常用于研究物质内部等同电子密度区域(或颗粒)大小约1~100 nm的几何结构; 所适用的样品状态可以是固体、粉末、胶体和液体; 样品中的颗粒可以是有序排列, 亦可以是完全无序分布.SAXS技术已被广泛用于探测无机纳米材料、介孔材料、薄膜等多散体系的纳米颗粒粒径或纳米孔径大小分布, 也被用于测定聚合物、纳米周期结构, 还被用于分析生物蛋白等单分散体系的散射体(颗粒、蛋白分子)形状.可以说, 同步辐射SAXS实验站是同步辐射装置用户最多的实验站之一. ... Small-angle scattering of X-rays 1 1956 ... 散射是X射线与物质相互作用的主要形式之一.从起源上来说, X射线与物质相互作用过程中不引起X射线能量改变的过程大都可归为X射线受物质中电子散射的作用过程, 比如X射线衍射现象就发生在被物质(此时为晶体)不同部位(此时为晶面)散射的X射线在某个散射方向上光程差为波长的整数倍或相位差为2p的整数倍.从这种意义上来说, X射线散射是普遍的, 对任何形态的物质都可能发生X射线散射; 而X射线衍射仅是一种特殊情况下的散射结果, 仅具有周期结构的物质或晶体才可能出现X射线衍射.小角X射线散射(SAXS)是最具代表性的X射线散射应用之一.在20世纪30年代初, Krishnamurti[40]和Warren[41]首先发现了SAXS现象.此后, Guinier等[42]建立并发展了SAXS理论.随着同步辐射光源的应用, 同步辐射小角X射线散射(SR-SAXS)技术得到了广泛的应用.SAXS技术通常用于研究物质内部等同电子密度区域(或颗粒)大小约1~100 nm的几何结构; 所适用的样品状态可以是固体、粉末、胶体和液体; 样品中的颗粒可以是有序排列, 亦可以是完全无序分布.SAXS技术已被广泛用于探测无机纳米材料、介孔材料、薄膜等多散体系的纳米颗粒粒径或纳米孔径大小分布, 也被用于测定聚合物、纳米周期结构, 还被用于分析生物蛋白等单分散体系的散射体(颗粒、蛋白分子)形状.可以说, 同步辐射SAXS实验站是同步辐射装置用户最多的实验站之一. ... Time-resolved small-angle X-ray scattering study on the growth behavior of silver nanoparticles 5 2014 ... 利用原位动态的SAXS技术[43,44,45,46]可研究无机材料合成过程中的颗粒形核、生长、演化和结构转变过程.YAN等[43,44,45]利用原位动态SAXS技术对Ag纳米材料的形核生长过程进行了研究.在研究Ag纳米颗粒的形核生长过程时[43], 分别对四种初始Ag+浓度为2、4、6和8 mmol/L的反应溶液进行了时间分辨的SAXS研究, 从实验上确定了四种Ag+初始浓度下Ag纳米颗粒的形核半径, 以及Ag纳米颗粒大小随时间的变化.依据实验结果, 提出了Ag纳米颗粒生长的扩散团聚(Diffusion-coalescence Model, DC Model)模型如图5所示.该模型的主要思路是先形成的银核或颗粒在布朗运动驱使下在溶液中扩散, 使银颗粒间有一定概率互相碰撞而结合长大.基于这一思路导出了Ag颗粒尺寸R随反应时间t变化的关系如下: ...
YAN等[ 45]还利用同步辐射原位XRD和原位SAXS技术研究了PVP包裹的Ag纳米粒子的加热过程.用谢乐公式分析XRD图谱衍射峰半高宽的变化可以获得样品中晶粒尺寸的变化, 结合SAXS数据分析还可以给出样品中颗粒大小的变化.结合XRD和SAXS结果, 发现PVP包裹的Ag纳米颗粒在400 ℃以下即PVP完全分解之前, Ag纳米粒子长大表现为缓慢的奥斯瓦尔德熟化过程, [111]方向为易生长方向, 每个颗粒大致包含一个晶粒.在400~500 ℃之间, PVP已完全分解, Ag纳米粒子的长大表现为快速的奥斯瓦尔德熟化过程, [200]方向为易生长方向, 每个颗粒大致仍只包含一个晶粒.在500~600 ℃之间, Ag纳米粒子的长大表现为随机的团聚过程, 每个颗粒包含有若干取向不同的晶粒.然而当温度进一步升至600~700 ℃时, Ag纳米粒子长大表现为定向融合生长过程, 每两个晶粒沿[200]方向融合聚集成一个花生状的大晶粒.在700 ℃以上, 一个颗粒又仅包含一个已融合好的晶粒.这一研究揭示了Ag纳米晶粒在加热过程中通过旋动与平动达到定向融合聚集长大的机制, 如 图6所示. ... Synthesis and formation mechanism of Ag-Ni alloy nanoparticles at room temperature 2 2016 ... 利用原位动态的SAXS技术[43,44,45,46]可研究无机材料合成过程中的颗粒形核、生长、演化和结构转变过程.YAN等[43,44,45]利用原位动态SAXS技术对Ag纳米材料的形核生长过程进行了研究.在研究Ag纳米颗粒的形核生长过程时[43], 分别对四种初始Ag+浓度为2、4、6和8 mmol/L的反应溶液进行了时间分辨的SAXS研究, 从实验上确定了四种Ag+初始浓度下Ag纳米颗粒的形核半径, 以及Ag纳米颗粒大小随时间的变化.依据实验结果, 提出了Ag纳米颗粒生长的扩散团聚(Diffusion-coalescence Model, DC Model)模型如图5所示.该模型的主要思路是先形成的银核或颗粒在布朗运动驱使下在溶液中扩散, 使银颗粒间有一定概率互相碰撞而结合长大.基于这一思路导出了Ag颗粒尺寸R随反应时间t变化的关系如下: ...
为了解析Ag花生状纳米颗粒的结构, 该研究还首次导出了其回转半径( l)的表达式如下: ... In-situ time-resolved X-ray absorption fine structure and small angle X-ray scattering revealed an unexpected phase structure transformation during the growth of nickel phosphide nanoparticles 4 2018 ... 利用原位动态的SAXS技术[43,44,45,46]可研究无机材料合成过程中的颗粒形核、生长、演化和结构转变过程.YAN等[43,44,45]利用原位动态SAXS技术对Ag纳米材料的形核生长过程进行了研究.在研究Ag纳米颗粒的形核生长过程时[43], 分别对四种初始Ag+浓度为2、4、6和8 mmol/L的反应溶液进行了时间分辨的SAXS研究, 从实验上确定了四种Ag+初始浓度下Ag纳米颗粒的形核半径, 以及Ag纳米颗粒大小随时间的变化.依据实验结果, 提出了Ag纳米颗粒生长的扩散团聚(Diffusion-coalescence Model, DC Model)模型如图5所示.该模型的主要思路是先形成的银核或颗粒在布朗运动驱使下在溶液中扩散, 使银颗粒间有一定概率互相碰撞而结合长大.基于这一思路导出了Ag颗粒尺寸R随反应时间t变化的关系如下: ...
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