什么是同步辐射R空间？

如何对XAFS数据预处理与拟合分析？

精选干货|同步辐射PDF基础知识及经典应用分析！

同步辐射是一种由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动时所产生的电磁辐射。从理论上讲，当电子在储存环中以接近光速运动（速度v≈c）时，其质量因相对论效应增大。

当电子通过弯转磁铁时，会受到洛伦兹力的作用而做圆周运动，由于加速度的存在，电子会沿着弯转轨道切线方向发射高强度电磁辐射，且主要以X射线为主。

同步辐射技术具有一系列独特且优异的特点，包括高亮度、宽频谱、高准直性等，为获取更清晰、更准确的微观信息提供了有力的保障。

高熵合金（High-entropy alloys，简称HEA），又被称为多主元合金（MPEAs）与复杂浓缩合金（CCAs），指使用特定的方法设计，含有不少于5种元素的合金，且其中每主元含量在5%-35%之间。

与传统合金通常只以一种或两种金属元素为主，添加少量其他元素的组成方式不同，高熵合金突破了这种传统模式，由五种或五种以上的主要元素组成，这种独特的成分设计赋予了高熵合金一系列优异的特性。 

从微观结构角度来看，高熵合金中多种元素的存在产生了巨大的混合熵作用。在这种作用下，材料趋于形成单相简单固溶体（亚稳状态），以降低整体的自由能，各元素则随机均匀地占据晶体位点，这就是高熵效应。

同时，由于各元素间的尺寸差异，在高熵合金无序排列的晶体中，会导致晶格对称性与形状产生改变，整体的畸变程度与应变能增加，从而影响材料的物理机械性能，这被称为晶格畸变效应。

在性能方面，高熵合金展具有较高的强度和良好的韧性，多种元素的协同作用使得高熵合金在承受外力和变形时表现出色，比传统合金更能适应复杂的力学环境。

高熵合金还具有良好的耐腐蚀性，合金中的多元元素均匀分布，形成了致密的界面结构，可有效阻挡外界腐蚀介质的侵入。

在热稳定性方面，由于其复杂的组成和结构，高熵合金通常具有较高的熔点，在高温环境下能保持较好的性能，不易发生变形或性能退化。

部分高熵合金还具有独特的电学、磁学等物理性能，以及在催化等领域的潜在应用价值，其微观的电子结构与各主元原子间的近程作用可能产生各种协同作用，出现难以预料的物理性能与功能特性。

此外，高熵合金中所有元素均匀随机分布，且均为主元，整体不存在大梯度浓度差，使得所有元素扩散缓慢，具有迟滞扩散效应，这也使得高熵合金具有较好的热稳定性。

X射线吸收精细结构（XAFS）技术是基于X射线被原子吸收时产生的精细结构来获取物质微观结构信息的一种方法。

当X射线光子的能量等于或略高于原子内壳层电子的结合能时，会发生光电效应，原子吸收X射线光子并发射出光电子。

由于光电子在离开原子后会与周围原子发生相互作用，这些相互作用会对光电子的波函数产生影响，从而在X射线吸收谱上产生精细结构。

在高熵合金中，由于存在多种元素，且各元素的化学态和周围原子的配位环境可能较为复杂，XAFS技术具有独特的优势。

它能够针对特定元素进行分析，准确确定高熵合金中各元素所处的化学态，了解元素在合金中的微观化学环境，以及各元素周围原子的配位结构信息。这些信息对于深入理解高熵合金的性能机制，如催化性能、电学性能、力学性能等，具有重要意义。

通过分析催化剂中活性元素的化学态和配位环境与催化活性之间的关系，可以为设计更高效的高熵合金催化剂提供理论依据。

案例一：高熵合金催化水中污染物的转化并显著提高电子利用效率

在这里，作者开发了一种高熵合金纳米粒子（HEA-NPs）负载氮掺杂碳载体的催化体系，并将其应用于PMS活化，驱动非自由基类芬顿氧化过程。在宽pH范围内，能够实现超快速的污染物去除，并表现出较强的抗水体干扰能力。

利用X射线吸收近边光谱（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）测定HEAs中Cu原子的电子和配位结构。XANES曲线显示，样品的白线峰强度高于Cu foil，但远低于CuO和CuPc，证实了HEAs中的Cu主要以金属态存在。

在R空间中，HEAs的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构谱显示两个主峰位于约1.7 Å的Cu-N键处，一个峰偏移位于2.6 Å处，对应于Cu-Cu相互作用。

这种偏移表明在HEAs中存在Cu-M相互作用（M=Pd、Fe、Ni、Co），这可能是由HEAs中多个元素的相互作用引起的。此外，HEAs的k3加权EXAFS光谱的小波变换也显示出两个主要峰，可归因于Cu-N键和Cu-M相互作用。

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55627-7

案例二：高熵合金电催化剂上电负性主导中间体吸附的研究

在这里，作者设计出一种FeCoNiXRu（X: Cu, Cr,Mn）高熵合金（HEA）系统以克服单元素催化剂的局限性，该系统具有不同的活性位点，因此对多种中间体具有不同的吸附能力。

利用X射线吸收光谱研究了FeCoNiMnRu/CNFs的化学状态。

X射线吸收近边结构（XANES）结果表明，与多种标样相比，HEA NPs中的Co和Ru元素处于金属态，在形状和强度上与foil有轻微的偏差，这些特征都能表明合金的形成。

通过Co和Ru的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）可以看出，HEA NPs中Ru和Co的平均键长与Co和Ru在其他文献中的金属键长有很大差异，表明Co和Ru元素被不同的金属（Fe、Mn和Ni）所包围。

另一方面，Co和Ru在HEA中的键结构显示出相似的平均键长，且未发生氧化，通过后续测试也进一步证实了Co和Ru在HEA中的金属态。

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30379-4

高熵合金作为新型合金，其性能研究对先进材料发展意义重大。同步辐射基于电子在磁场中做曲线运动产生电磁辐射，具备高亮度、宽频谱、高准直性和脉冲时间结构等优势，为高熵合金分析提供了坚实的基础，通过同步辐射技术与高熵合金性能紧密相连，为优化合金性能提供了有力的理论支撑。