说明：本文华算科技系统阐述了配位数的定义及其在材料科学中的关键作用，介绍了同步辐射XAS技术通过XANES和EXAFS分析配位数的原理与方法。结合催化剂、纳米材料和缺陷研究案例，展示了XAS技术在原子尺度解析配位环境动态变化的独特优势，为材料设计与性能优化提供了重要依据。
台式XAFS（X射线吸收精细结构）光谱仪是一种高性能的实验室分析设备，能够在常规实验室环境中实现X射线吸收光谱（XAS）和X射线发射光谱（XES）的测量和分析。
与传统的同步辐射XAFS相比，台式XAFS无需依赖同步辐射光源，大大降低了使用门槛，同时提供了与同步辐射相当的高质量数据。
XAFS技术
XAFS（X射线吸收精细结构）技术自诞生以来，凭借其独特原理在科研领域广泛应用。X射线穿透物质时，会与原子中的电子相互作用，在特定能量下，X射线可激发原子内层电子，产生光电子。
这些光电子在离开原子后，会受到周围原子的散射，出射波与散射波相互干涉，从而在X射线吸收系数随能量变化的曲线（即XAFS谱）上形成精细结构。
XAFS谱分为两个关键区域：X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）。XANES区域涵盖吸收边前约10 eV至吸收边后约50 eV的能量范围，能够揭示元素的种类、价态及原子轨道的杂化情况等。
例如，在研究催化剂中的金属活性位点时，通过XANES分析可确定金属原子的氧化态，为优化催化剂性能提供关键线索。
EXAFS区域通常在吸收边后50 eV到1000 eV的能量区间，聚焦于光电子的单次散射效应，能够探究吸收原子与周边原子的配位关系，包括配体的种类、配位数及配位距离等结构信息。
例如，在研究纳米材料的结构时，EXAFS可精确测定纳米颗粒表面原子的配位环境，帮助理解纳米材料独特性能的根源。
在台式XAFS谱仪出现之前，XAFS技术的应用高度依赖同步辐射光源。
虽然同步辐射光源能够提供高亮度、高准直性的X射线，但全球同步辐射光源数量有限，分布不均，且申请使用机时的过程繁琐、竞争激烈，往往需要漫长的等待时间，这极大地限制了XAFS技术的普及与应用。
同步辐射XAFS与台式XAFS的区别
同步辐射XAFS利用带电粒子在磁场中做圆周运动时发出的电磁辐射作为光源，对样品进行物理、化学和生物等方面的研究。其光源装置通常由加速器、储存环、光束线（包括单色器、聚焦镜等）和实验站等部分组成。
加速器用于加速带电粒子，储存环使粒子做圆周运动并发出同步辐射光。光束线对同步辐射光进行传输、单色化和聚焦等处理，实验站用于放置样品并进行测量和分析。
同步辐射XAFS广泛应用于催化、能源、纳米材料等领域。其优势在于同步辐射光源的高亮度、宽能量范围、窄脉冲宽度和高准直性，使得X射线谱学在通量和能量分辨率方面得到了显著提升。下图为里亚斯特同步辐射设施基本组件的示意图。
台式XAFS采用独有的X射线单色器设计，无需使用同步辐射光源，即可在常规实验室环境中实现X射线吸收精细结构的测量和分析。其构成通常包括X射线源、单色器、样品室、探测器等部件。
X射线源产生X射线，单色器进行单色化处理，样品室放置待测样品，探测器检测X射线的吸收情况。台式XAFS技术的出现，打破了XAFS检测必须依赖同步辐射装置的局限，使得XAFS技术的应用范围更加广泛和灵活。
该技术通过提供X射线吸收检测功能，拓展了XAFS的应用场景。与传统的XRD技术相比，台式XAFS能够检测非晶材料等短程有序材料，并且具备化学价态识别能力。
此外，台式XAFS还能提供配位数、键长等关键信息，有效分析原子的局域结构，在实验室即可得到材料微观结构下的数据支持。
下图为Gerald Seidler教授等人展示的用于能量尺度再现的实验图示，图中包括了标准罗兰圆几何结构，分别用于（a）X射线发射、（b）X射线吸收精细结构测量和（c）用于校正XES中的样品吸收效应的中间混合几何结构。（DOI：10.1103/PhysRevA.96.032504）
1. 光源：同步辐射XAFS使用同步辐射光源，能测试的能量范围广，具有极高的光通量和优异的能量分辨率，能够提供更精细的谱图；台式XAFS使用实验室级别的X射线，能量范围相对较窄，光通量相对较低，但近年来一些高性能的台式XAFS设备光通量已达到较高水平，分辨率也有所提升。
2. 环境要求：同步辐射XAFS通常需要在高真空环境下进行测试，测试周期较长，维护成本较高；台式XAFS可在常规实验室环境下进行测试，对样品的环境条件要求较低，测试周期较短，维护成本较低。
3. 操作简便性：台式XAFS由于其简单、易操作的优势，越来越多地走进高校和公司，在实验室即可获得科研级高质量XAFS图谱。
应用案例
在催化反应研究中，深入了解催化剂的结构和电子状态对揭示反应机制至关重要。本研究围绕Cu₁Co₉Oₓ催化剂在水煤气变换反应（WGSR）中的应用，采用台式XAFS（X 射线吸收精细结构）技术对其进行分析，以探究其结构特征与催化性能的关联。
实验中，研究人员对经过不同处理的Co₃O₄和Cu₁Co₉Oₓ催化剂进行了准原位XAFS测量。
具体而言，将催化剂先在5% H₂/N₂气流中于300°C还原30分钟，随后在300°C下进行WGSR反应1 h，冷却至室温后，在不直接暴露于空气的条件下，将处理后的样品转移至手套箱中制备用于XAFS测量。
XANES和EXAFS结果显示，在WGSR反应过程中，Co₃O₄的体相Co物种被还原为CoO，而Cu₁Co₉Oₓ的体相Co物种主要被还原为金属Co，同时存在少量Co²⁺物种。
XANES的线性拟合提供了Cu₁Co₉Oₓ催化剂电子结构的体相信息，其中Co⁰占Co物种的 86.2%，Co²⁺占13.8%。
这些结果与其他表征手段（如XRD、XPS等）相互印证，表明Cu的加入改变了Co的配位环境和价态，进而影响了催化剂的催化性能。
Cu的存在促进了Co物种的还原，使得Cu₁Co₉Oₓ中金属Co的含量相对较高，这有利于CO的吸附和活化以及H₂O的解离，从而显著提高了其在WGSR中的催化活性。
DOI：10.1038/s41467-025-56161-w
过渡金属基电催化剂在水氧化反应中具有成本效益优势，但其性能需通过能带电子结构调控来提升。
本研究提出多杂化策略（p-d、s-sp、d-d杂化），设计出钒（V）、硼（B）掺杂的FeNiP催化剂（VB-FeNiP），该催化剂在析氧反应（OER）中表现优异，而台式XAFS分析为其结构与性能关联提供了关键信息。
XANES谱显示，VB-FeNiP中Ni的前边缘在≈8333eV处有小峰，与Ni箔相比吸收强度弱，表明电子从Ni转移到B；与NiB相比，B和V的双掺杂使Ni K边向更高能量位移，说明Ni位点电子密度降低，平均价态为2+δ，且晶格畸变改变了8331eV处的前边缘峰。
EXAFS 谱中，VB-FeNiP的Ni-B键峰与商用NiB相似，但键长从1.53Å增至1.63Å峰强度增加，这与样品的无序和非晶特性有关；同时，因B和V双掺杂，在2.57Å处出现明显的Ni-金属键峰，体现了其独特的配位环境。
这些结果与XRD、XPS等表征相互印证，表明B和V的引入通过多杂化作用改变了Ni的配位环境和电子状态，促进了电荷转移，从而提升了VB-FeNiP的OER性能，为基于轨道杂化设计高效催化剂提供了依据。
DOI：10.1002/aenm.202403464
碳基吸波材料因轻质、导电性可调等优势在电磁波吸收领域备受关注，但单一碳材料阻抗匹配差的问题制约其性能提升。
本研究通过微波溶剂热法制备出具有晶体 / 非晶异质界面和阳离子缺陷的CuCo₂S₄@膨胀石墨（EG）异质结构，通过调控金属离子浓度优化其形貌与缺陷，显著提升了电磁波吸收性能，而台式XAFS分析为揭示其结构与性能关联提供了关键依据。
XAFS结果表示CuCo₂S₄@EG 中Cu和Co的价态分别为+2和+3，与XPS分析结果一致，证实了阳离子的混合价态特征。
EXAFS的傅里叶变换谱在约1.8Å处出现强峰，对应Cu-S和Co-Co键；小波变换（WT）分析进一步表明，体系中仅存在Cu-S（约 5.5Å⁻¹）和Co-S（约 8.0Å⁻¹）的配位信号，未检测到Cu-Cu、Cu-O或Co-Co键，说明金属离子主要与S配位。
拟合数据显示，Cu-S和Co-S的配位数分别约为3.2和2.9，键长为2.28Å和2.26Å，均低于CuCo₂S₄标准结构（Fd-3m）的理论配位数，结合AC-TEM、EPR等表征，证实了Cu和Co阳离子缺陷的存在。
且随着Co/Cu比升高，阳离子空位浓度增加，这种缺陷结构通过破坏电荷平衡、促进偶极极化，协同异质界面增强了材料的dielectric损耗与阻抗匹配能力。
DOI：10.1038/s41467-023-41697-6
总结
台式XAFS技术凭借其无需同步辐射光源、高灵敏度和优异稳定性的优势，为材料微观结构分析提供了一种高效且低成本的解决方案。
它不仅能够在常规实验室环境中实现高质量的X射线吸收精细结构（XAFS）和X射线发射光谱（XES）测量，还具备操作简便、维护成本低等特点。
台式XAFS在催化、能源和电磁波吸收材料等领域的应用表明，其能够精准解析材料的原子配位环境、价态和配位数等关键信息，为科研人员提供了重要的微观结构数据支持。未来，随着技术的进一步发展，台式XAFS有望在更多领域发挥重要作用。