XANES白线峰增强/减弱怎么看?氧化还原、界面电荷转移、局域成键及测量条件的影响全解析

说明:本文主要介绍XANES白线峰的强度含义,以及氧化还原、界面电荷转移、局域成键和测量条件对峰强的影响。

白线峰增强减弱改变何谱学量?

X射线吸收光谱记录材料对不同能量X射线的吸收程度。当光子能量足以激发某一内层电子时,吸收明显增加,形成吸收边;紧邻吸收边的强吸收峰通常称为白线峰,属于X射线吸收近边结构,即XANES。这个峰来自内层电子向特定未占据电子态的跃迁,强度取决于这些态的分布和跃迁发生的概率。

以铂的L3边为例,白线主要来自2p3/2电子向具有5d成分的未占据态跃迁。未占据d态常用d空穴来描述,指电子态中的未填充部分,区别于晶体结构中的原子空位。换成过渡金属K边,主要偶极跃迁则是1s→p态;因此,K边白线不能直接套用L3边的d空穴解释。下文以金属L3边为主讨论电子填充变化。

即使都测L3边,所谓“增强”也可能指不同的量。峰高描述峰顶相对于选定基线的强度,白线积分面积则描述扣除连续态背景后、一定能量范围内的总强度。若一条峰的面积近似不变而宽度减小,峰顶也会升高;这类变化主要反映吸收强度在更窄的能量范围内集中。

XANES白线峰增强/减弱怎么看?氧化还原、界面电荷转移、局域成键及测量条件的影响全解析
图1. 铂纳米颗粒在还原前后的常规XAS与高能量分辨荧光探测XAS谱。DOI:10.1038/s41598-017-00639-1

同一铂样品采用常规探测和高能量分辨荧光探测时,白线就会呈现不同的尖锐程度。后者通常简称HERFD,能够减小谱线中的有效寿命展宽,分辨出常规谱中重叠的细节。因此,两种探测方式之间的峰高差异包含分辨率的贡献。

考虑到这种探测差异,电子态讨论中的强弱比较,应限定在同一元素、同一吸收边以及可比的归一化和分辨率条件下。扣除背景后的面积比单个峰顶更能描述这一能区的跃迁强度;面积与d空穴数的定量联系,则还需要考虑轨道混成、跃迁概率及所采用的分析模型。

氧化还原界面电荷转移怎样改白线?
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氧化与还原中的d态占据

在配位环境和谱线形状相近的一组铂样品中,白线增强通常与未占据5d态增多有关,减弱通常与5d态电子填充增加有关。氧化常伴随金属中心电子密度降低,还原则朝相反方向变化,因而这两种过程往往分别对应较强和较弱的白线。用化学环境相近的已知价态样品作参照,能够帮助判断这种相对变化。

铂及铂钴纳米颗粒接触含氧吸附物时,表面成键会改变铂的5d电子态。在一项原位HERFD研究中,相对于还原状态,氧气和水共同吸附使白线及其高能侧发生更明显变化,研究者将其与表面铂的氧化程度增加联系起来。这里的响应主要与表面吸附有关,整颗粒转化为二氧化铂则是另一种程度更深的化学变化。

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图2. 铂及铂钴纳米颗粒在还原、氧气、水和氧气与水共同吸附条件下的Pt L3边谱。DOI:10.1038/s41598-017-00639-1

与含氧吸附物引起的电子密度降低相反,电极还原条件能够使铂中心获得更多电子。对于氮掺杂碳负载的单原子铂,原位XANES研究发现,电位进入析氢反应条件后,Pt L3边白线降低,与5d态填充增加、铂中心还原相一致。电位改变了反应中的铂电子状态,因而反应前后测得的白线可以有所不同。

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图3. 氮掺杂碳负载单原子铂的显微结构、元素分布及随电位变化的XANES谱。DOI:10.1038/s41467-020-14848-2

这些变化通常是被测元素的平均响应。一颗纳米粒子中,表面铂与内部铂可能具有不同状态;在可近似线性叠加的吸收谱中,氧化物种比例上升也能使平均白线增强。因此,中等强度的白线既可能来自一种中间电子状态,也可能来自几类物种的共存,二者在原子尺度上的含义并不相同。

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界面两侧的电子重新分布

平均电子状态的改变还可以发生在两种材料接触形成的界面。接触后,电子在金属与载体之间重新分布,一侧电子密度增加,另一侧降低;对于适用d态解释的L3边,便可能出现一侧白线减弱、另一侧增强。这种变化不要求样品整体得失同样数量的电子,电荷可以在体系内部转移。

在W3O/WC载体负载铂团簇的研究中,铂白线相对于碳负载铂更弱,而钨白线相对于未负载铂的对应载体更强。结合X射线光电子能谱的变化,作者将其归因于钨侧向铂侧的电子转移。两条吸收边分别与各自的对照样品比较,才有这样的相对变化;铂峰和钨峰的绝对高度并不具有直接可比性。

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图4. 钨基载体负载铂团簇及对照样品的XPS、Pt与W L3边XANES和EXAFS谱。DOI:10.1038/s41467-025-58735-0

界面电子转移常伴随金属与周围原子的成键变化。电子重新分布可以是连续而有限的,不一定对应一个整数氧化态的跳变。要理解白线为何已经明显变化、却未必对应新的整数价态,还需要区分形式氧化态与实际轨道占据。

配位成键探测条件还怎样影响白线?
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形式氧化态与实际轨道占据

形式氧化态按照约定的电子归属规则定义,而真实材料中的电子往往分布在多个原子共同形成的轨道上。当金属轨道与邻近原子轨道发生杂化时,轨道能量、电子占据以及这些态中的金属轨道成分都可能变化。因此,形式氧化态相同,不保证白线强度相同;白线对局部成键的响应,可以比整数价态分类更细。

钯钌内核外包覆铂壳层的纳米颗粒就是一例。研究者把铂壳层从5—6层减薄至1—2层时,观察到铂白线逐渐减弱,并弱于金属铂箔;结合结构表征,将其与内核向铂壳层供电子的配体效应联系起来。这里的“配体效应”指邻近金属对铂电子结构的影响,白线的连续变化反映了这种影响随壳层厚度的改变。

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图5. 不同铂壳层厚度的钯钌核壳纳米颗粒与铂箔的XANES、傅里叶变换EXAFS及小波变换谱。DOI:10.1038/s41467-023-42514-w

除了电子占据,金属周围的配位几何和局域对称性还会影响不同轨道的能量与跃迁强度,使白线分裂、展宽或形成肩峰。某个峰顶的减弱,可能伴随强度向邻近能量转移,而不是整个相关能区的吸收都降低。这也是峰高与积分面积可能出现不同变化方向的一个物理原因。

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归一化与荧光自吸收

金属轨道变化引起的强度差异最终要通过实验谱记录下来,而纵轴的处理方式也会改变峰高。常规边跃归一化先扣除边前背景,再除以吸收边的阶跃高度,使不同样品具有可比较的强度尺度。若边前、边后拟合范围或背景估计不同,同一条原始谱也会得到不同的归一化峰高;把每条白线峰顶都缩放到1,则会人为消除峰高差异。

在荧光模式下,探测器记录的是离开样品的荧光光子,入射光在样品内的衰减和荧光逸出过程共同影响信号。当自吸收效应显著时,强吸收区的荧光响应会趋于饱和,白线因而可能变矮、变平。样品厚度、组成和入射与出射几何都能改变这种失真,峰高的下降此时并不来自金属还原。

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图6. 镍配合物经自吸收校正后的多像素荧光吸收谱及与透射吸收谱的对比。DOI:10.1107/S2052252519005128

镍配合物的透射与多像素荧光对比研究中,采用包含衰减和探测几何的自吸收校正后,原本分散的荧光谱显著接近,并恢复了与透射谱相符的白线及边后变化。校正改变的是光谱记录与真实吸收之间的关系,而非镍的化学状态;同一样品因此也可能得到更高、形状更接近真实吸收的白线。

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