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安东帕X射线衍射仪的行业应用

时间:2024-05-10 17:29来源:金利仪器 作者:金利仪器 点击:
X 射线粉末衍射仪 石墨化度影响石墨的化学和物理性能,例如在锂离子电池中用作负极材料时。本文探讨用 X 射线粉末衍射法测定石墨化度的两种方法。第一种方法使用平行光束几何来解决和克服由样品 X 射线穿透深度引起的峰偏移,第二种方法在混合了内部标样的石
  

 X 射线粉末衍射仪

 
石墨化度影响石墨的化学和物理性能,例如在锂离子电池中用作负极材料时。本文探讨用 X 射线粉末衍射法测定石墨化度的两种方法。第一种方法使用平行光束几何来解决和克服由样品 X 射线穿透深度引起的峰偏移,第二种方法在混合了内部标样的石墨样品上使用更传统的布拉格-布伦塔诺(发散)几何。 
 
石墨是三种自然存在的碳(也称为同素异形体)之一,由许多堆叠的六边形石墨烯层组成(如图一);被认为是最稳定的碳形式,是锂离子电池中商业上最成功的负极材料,使其快速发展成为储能领域的关键材料。
 
实验准备 
 
样本制备:
 
对预研磨的石墨样品进行了测试。并与 NIST 的硅粉标准参考物质(SRM 640e)以 1:1 的比例混合,用于校对峰位。
 
X 射线衍射实验:
 
XRD 测试采用安东帕的实验室仪器全自动粉末 X 射线衍射仪 XRDynamic 500 并配备固定样品台
 
使用铜 X 射线源并采用了两种不同的光束几何:(i) 平行光束几何 (ii) 布拉格-布伦塔诺(发散)几何;XRDynamic 500 允许在两种光束几何之间自动切换,无需任何人工干预。在 2θ 10°-80° 范围内收集数据,步长为 0.01°。 
 
采用安东帕 XRDanalysis 分析软件对测量数据进行解析。
 
结论与分析 
 
碳是一种轻元素,在 XRD 通常使用的 X 射线波长(例如 Cu Kα)中展现出较高的 X 射线穿透深度。当使用布拉格-布伦塔诺(发散)几何测量样品时,可能导致由样品 X 射线穿透深度引起的峰移,需要考虑和校对以获得精确的峰位。
 
平行光束几何 
 
解决样品穿透深度所导致的误差问题的其中一种方法是使用平行光束几何。因为平行光束几何与平行板准直器和 0D 探测器的组合意味着峰位对高度偏差或样品 X 射线穿透深度所导致的误差不敏感。 
 
比较了两个衍射图,使用布拉格-布伦塔诺(发散)几何(黑色)和平行光几何(红色)。
 
在石墨样品上使用布拉格-布伦塔诺(发散)几何引入了两个需要纠正的问题。第一个是(002)峰的偏移了 -0.08° 2θ,第二个是峰的轻微不对称性;平行光束几何克服了这两个问题。
 
g 值取决于(002)衍射峰位置的准确性,这使得使用平行光比其他光束几何具有明显的优势。但这种几何的主要缺点是需要专门的光学器件,即抛物面 X 射线反射镜,以及使用 0D 探测模式导致的较长测量时间。 
 
布拉格-布伦塔诺(发散)几何内标法
 
确定石墨化度的方法是将石墨与硅粉等标准样品混合,以根据标样参考值校正峰的位置。然后,这种混合物可以用布拉格-布伦塔诺(发散)几何进行测量,并且需要根据硅(111)峰位对峰移进行校正(见图 4 的插图部分)。主要优点是不需要抛物线 X 射线反射镜,测量时间大大缩短。但缺点是需要精确混合石墨和硅粉标样,并且由于混合过程中石墨的聚集,混合物的均质化可能很困难,所以样品制备需要更长的时间。 
 
图 4 显示了与石墨样品按 1:1 比例混合硅内标物的 5 个显著峰,以及测量范围内的几个石墨峰;最接近石墨(002)峰的硅(111)峰与标准值相比有 -0.02° 2θ 的峰移,这导致石墨修正 d002 值为 3.3590 Å。经校正和未校正的晶面间距石墨化度分别为 94.2% 和 91.4%。
 
实验结论 
 
随着合成石墨需求的增加,需要准确地确定石墨化度作为石墨化工艺有效性的定量衡量标准。XRD 提供了最有效的方法,它基于石墨(002)峰的 2θ 精确位置计算石墨层间距,来计算石墨化度。 
 
本研究探索了两种不同的实验配置,第一种配置平行光几何。这种设置非常有效,避免了分析轻元素(样品 X 射线穿透深度误差)相关的峰移,且可以直接从峰拟合中获取 d002 值。 
 
第二种方法使用布拉格-布伦塔诺(发散)几何,要求样品与内标物(本例中为硅粉)均匀混合。通过校正由于样品 X 射线穿透深度误差引起的峰移,可以计算出晶面间距和石墨化度;表1 提供了两种方法计算的 d002 和 g 的总结。 
 
XRDynamic 500 具有同类产品最佳的分辨率,真空光路和自动化光学元器件,可以在这个测试中所需的两种光束几何中轻松切换,同时提供出色的信噪比和峰背比,比较两种光束几何的晶面间距 d002 和石墨化度 g。结果表明,两种方法在计算晶面间距和石墨化度方面具有较高一致性。因此,根据用户是否选配所需光学元器件或测量和样品制备的时间,用户可以自由任选两种方法其一进行测量。
 
 
 
(责任编辑:金利仪器lyh)
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