Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

ASTRA (dawniej SOLABS)

Linia ASTRA (Absorption Spectroscopy beamline for Tender energy Range and Above), dla której źródłem promieniowania jest magnes zakrzywiający, będzie dedykowana do absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej (XAS). Będzie poświęcona technikom pokrewnym w zakresie energii od 1 keV do 15 keV, obejmując krawędzie K absorpcji  pierwiastków chemicznych między Mg i Se oraz krawędzie L i M wielu innych elementów.

XAS to unikatowa, specyficzna dla pierwiastków metoda spektroskopowa, stosowana zarówno do materiałów krystalicznych jak i amorficznych (w fazie stałej, ciekłej czy gazowej). Pomiary XAS mogą być wykonywane w odpowiednich warunkach aplikacji (in situ). Dane XANES (struktura bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania X) oraz EXAFS (rozszerzona subtelna struktura absorpcji promieniowania X) dostarczają cennych informacji o lokalnej strukturze wokół atomów  absorbera w badanych materiałach. Na linii ASTRA widma XAS mogą być rejestrowane w trybie transmisji lub fluorescencji.

Linia ASTRA (dawniej SOLABS) przeznaczona jest do badań podstawowych i stosowanych w dziedzinach takich jak:

  • materiałoznawstwo, fizyka i chemia (badania materiałów funkcjonalnych, zwłaszcza stopów, układów tlenkowych i katalizatorów, powłok, klejów itp.)
  • biomedycyna (badanie metaloprotein, badanie stabilności, wchłaniania i terapeutycznego mechanizmu działania leków nieorganicznych i bio-nieorganicznych itp.)
  • ochrona środowiska (np. specjacja pierwiastków toksycznych podczas bioakumulacji).

W styczniu 2022 roku miał miejsce początek fazy rozruchowej i prace badawcze z pierwszą grupą zaprzyjaźnionych użytkowników (mających doświadczenie w spektroskopii absorpcji promieniowania X, a także dopuszczających wystąpienie ewentualnych komplikacji związanych z badaniami na linii w fazie rozruchowej). Prace związane z pełnym wdrożeniem i odbiorem linii w dalszym ciągu trwają. Niemniej jednak, linia zostanie zgłoszona do wiosennego naboru wniosków o dostęp do aparatury badawczej Centrum SOLARIS w roku 2022. Da to możliwość zainteresowanym grupom zaaplikowania o czas badawczy z wykorzystaniem techniki XAS w trybie transmisyjnym w zakresie energii od 1,82 do 12 keV, co pokrywa krawędzie absorpcji K pierwiastków  od Si  do Zn, krawędzie L pierwiastków od Rb do Pt oraz krawędzie M pierwiastków od  Gd do U. W tym naborze będą dostępne pomiary tylko w temperaturze pokojowej. Gorąco zachęcamy użytkowników naszej linii do aplikowania w tym naborze o badania na krawędziach absorpcji K, jednakże aplikacje o pomiary na krawędziach L i M są także mile widziane. Personel linii dokłada wszelkich starań, aby umożliwić użytkownikom pomiary w trybach fluorescencji oraz TEY możliwie jak najszybciej. 

Linia ASTRA została specjalnie zaprojektowana do pomiarów XAS w zakresie rentgenowskim znanym jako „tender energy range”, tj. na krawędziach absorpcji K pierwiastków, takich jak: P, S, Si, Al i Mg. Poza tym, zakres energii linii ASTRA obejmuje krawędzie K cięższych pierwiastków do Se, krawędzie L elementów do Bi i krawędzie M niektórych elementów, w tym U, co pozwala na badanie wielu, bardzo istotnych materiałów.

Tabela pierwiastków - zakresy energii linii

Linia jest budowana przez lidera projektu Hochschule Niederrhein University of Applied Sciences (Niemcy) we współpracy z Synchrotron Light Research Institute (Tajlandia), Instytutem Fizyki w Bonn University (Niemcy) i Centrum SOLARIS.

Parametry linii:

Źródło  Magnes zakrzywiający (1.31 T)
Docelowy zakres energii fotonów 1 – 15 keV
Dostępny zakres energii fotonów 1.8 – 12.0 keV
Energetyczna zdolność rozdzielcza ΔE/E InSb(111): 7 × 10-4  (na krawędzi absorpcji K siarki – 2.472 keV) 
dane dla innych kryształów i innych krawędzi absorpcji zostaną uzupełnione w najbliższej przyszłości 
Rozmiar plamki w miejscu próbki (poziomy ×pionowy) 10 mm × 1 mm
Intensywność promieniowania w miejscu próbki 109-1010 [ph/s/0.1 A]
Polaryzacja Liniowa (w poziomie)
Stacja badawcza absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej ASTRA

Obecnie dostępne
Techniki badawcze: XANES/EXAFS
Metody detekcji: Transmisja
Warunki temperaturowe: Temperatura pokojowa
Ciśnienie: Niska próżnia lub ciśnienie atmosferyczne
Warunki gazowe: W atmosferze wybranych gazów (He, Ar, O2, N2, CO2)

W trakcie wdrożenia (obecnie niedostępne dla użytkowników)
Techniki badawcze: XRF, spektroskopia emisyjna promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości
Metody detekcji: fluorescencja, całkowita wydajność elektronów
Warunki temperaturowe: 5 - 1000 K
Ciśnienie: Wysoka próżnia, warunki wysokiego ciśnienia
Warunki gazowe: Kontrolowany przepływ wybranego gazu

 

Rozszerzona subtelna struktura absorpcji promieniowania X (EXAFS)

Struktura EXAFS dostarcza informacji o średniej liczbie koordynacyjnej wokół atomów absorbera i długościach wiązań.

Wybrane przykłady z opublikowanych badań.

EXAFS - przykład 1
 

Schematyczna ilustracja atomów Pt osadzonych na kropkach węglowych domieszkowanych azotem (nitrogen-doped carbon dots, NCD) oraz (b) transformata Fouriera widm EXAFS na krawędzi L3 Pt dla układu Pt–NCD zhybrydyzowanych z warstwą TiO2 oraz dla porównania zamieszczono wyniki dla układów PtO2, PtCl2 i Pt. (Widma zostały zmierzone na linii B18, Diamond Light Source).

(a) Schematyczna ilustracja atomów Pt osadzonych na kropkach węglowych domieszkowanych azotem (nitrogen-doped carbon dots, NCD) oraz (b) transformata Fouriera widm EXAFS na krawędzi L3 Pt dla układu Pt–NCD zhybrydyzowanych z warstwą TiO2 oraz dla porównania zamieszczono wyniki dla układów PtO2, PtCl2 i Pt. (Widma zostały zmierzone na linii B18, Diamond Light Source).

Brak piku w zakresie 2-3.5 Å, odpowiadającego wiązaniu Pt-Pt, wskazuje, że tylko izolowane atomy Pt są związane z nośnikiem NCD, a pojedynczy pik przy 1.6 Å ujawnia, że ​​są one skoordynowane z lżejszymi atomami (4-5 atomami węgla) na nośniku.

Przykład ten pokazuje możliwość wykorzystania danych EXAFS do odróżnienia katalizatorów jednoatomowych od małych klastrów lub nanocząstek związanych z nośnikiem. Pojedyncze atomy Pt są ważne jako katalizatory w fotokatalitycznej produkcji wodoru.

Zaadoptowane z pracy: 
Hui Luo, Ying Liu, Stoichko D. Dimitrov, Ludmilla Steier, Shaohui Guo, Xuanhua Li, Jingyu Feng, Fei Xie, Yuanxing Fang, Andrei Sapelkin, Xinchen Wang and Maria-Magdalena Titirici, Pt single-atoms supported on nitrogen-doped carbon dots for highly efficient photocatalytic hydrogen generation, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 14690. DOI: 10.1039/d0ta04431h

EXAFS - przykład 2
 

(po lewej) Schemat preparatyki Pt17/γ-Al2O3, (po prawej) transformata Fouriera widm EXAFS na krawędzi L3 Pt dla próbek [Pt17(CO)12(PPh3)8]Cln, Pt17(CO)12 (PPh3)8/γ-Al2O3 i Pt17/γ-Al2O3 oraz dla próbek referencyjnych Pt i PtO2 . W widmie Pt17/γ-Al2O3 pik dla 1.7 Å wskazuje na powstanie wiązań Pt–C lub Pt–O na interfejsie Pt17/γ-Al2O3.

(po lewej) Schemat preparatyki Pt17/γ-Al2O3, (po prawej) transformata Fouriera widm EXAFS na krawędzi L3 Pt dla próbek [Pt17(CO)12(PPh3)8]Cln, Pt17(CO)12 (PPh3)8/γ-Al2O3 i Pt17/γ-Al2O3 oraz dla próbek referencyjnych Pt i PtO2 . W widmie Pt17/γ-Al2O3 pik dla 1.7 Å wskazuje na powstanie wiązań Pt–C lub Pt–O na interfejsie Pt17/γ-Al2O3.

Widmo EXAFS układu Pt17/γ-Al2O3 pokazuje, że Pt17 nie występuje w postaci tlenku, ale ma strukturę typu metalicznego klastra. Ponadto wykazano, że klastry Pt17 są pokryte cząsteczkami CO w temperaturze normalnej. Cząsteczki CO adsorbowane na drobnych osadzonych klastrach  Pt17 na ogół mają dłuższe wiązanie C–O w porównaniu z większymi osadzonymi nanocząsteczkami Pt. Wiązania te wspomagają reakcję utleniania i prawdopodobnie przyczyniają się do wysokiej aktywności katalitycznej układu Pt17/γ-Al2O3 podczas utleniania tlenku węgla i propylenu w porównaniu z większymi nanocząsteczkami Pt na tym samym nośniku γ-Al2O3 (PtNP/γ-Al2O3) przygotowanymi metodą konwencjonalnej impregnacji.

Zaadoptowano z pracy:
Yuichi Negishi, Nobuyuki Shimizu, Kanako Funai, Ryo Kaneko, Kosuke Wakamatsu, Atsuya Harasawa, Sakiat Hossain, Manfred E. Schuster, Dogan Ozkaya, Wataru Kurashige, Tokuhisa Kawawaki, Seiji Yamazoe and Shuhei Nagaoka, γ-Alumina-supported Pt17 cluster: controlled loading, geometrical structure, and size-specific catalytic activity for carbon monoxide and propylene oxidation, Nanoscale Adv., 2020, 2, 669-678. https://doi.org/10.1039/C9NA00579J

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Struktura bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania X (XANES)

Widma XANES są bardzo wrażliwe na środowisko koordynacyjne atomów absorbera (np. stopień utlenienia).

XANES - przykład 1

Widma XANES na krawędzi K siarki dla substancji zawierających atomy siarki w różnych stopniach utlenienia, przyłączonych do różnych ligandów i o różnych geometriach koordynacyjnych. Różne środowiska koordynacyjne powodują charakterystyczne cechy w widmach XANES, które mogą służyć jako „widmowe odciski palców”, a specjacja siarki w nieznanej próbce może być określona przez porównanie z widmami referencyjnymi XANES. Ponadto, widma XANES można otrzymać poprzez dopasowanie kombinacji liniowej widm referencyjnych, z których można bezpośrednio uzyskać względne stężenia poszczególnych składników.

Zaadoptowano z pracy:
Gøril Jahrsengene, Hannah C. Wells, Stein Rorvik, Arne Petter Ratvik, Richard G. Haverkamp & Ann Mari Svensson, A XANES Study of Sulfur Speciation and Reactivity in Cokes for Anodes Used in Aluminum Production, METALL MATER TRANS B 49, pages1434–1443(2018) https://doi.org/10.1007/s11663-018-1215-x

XANES - przykład 2

 

 

Kombinacje liniowe dopasowywania (Linear combination fitting, LCF) dla widm XANES na krawędzi K chloru ceramiki szklanej z dodatkiem ceru z nominalnymi (a) 0,9% wag. Cl i (b) 1,7% wag. Cl; (c) porównanie ważonych udziałów związków odniesienia dopasowanych do danych widm XANES na krawędzi K chloru dla ceramiki szklanej bez Ce i z dodatkiem Ce (próbki zostały wykonane z CeO2, które modelują surogat PuO2). Spektroskopia XANES została wykorzystana do określenia możliwości zastosowania ceramiki albitowo-szklano-cyrkonolitowej do pułapkowania pozostałości tlenku plutonu, zanieczyszczonych chlorkami. Dane XANES potwierdzają podział Cl do fazy szklanej z wydzieleniem krystalicznego NaCl powyżej granicy rozpuszczalności chloru. Wyniki LCF wskazują na asocjację Cl z kationami modyfikującymi Na i Ca, ze środowiskiem charakterystycznym dla minerałów glinokrzemianowych chlorku eudialitu, sodalitu, chlorellestaditu i afganitu. Badania te pokazują zgodność formy odpadowej ceramiki szklanej z rozpuszczalnością Cl przy spodziewanym stopniu wbudowania (poniżej określonej granicy rozpuszczalności) i dają pewność, że obróbka cieplna lub mieszanie wsadu odpadowego nie jest wymagane.

Zaadoptowano z pracy:
Stephanie M. Thornber, Lucy M. Mottram, Amber R. Mason, Paul Thompson, Martin C. Stennett and Neil C. Hyatt, Solubility, speciation and local environment of chlorine in zirconolite glass–ceramics for the immobilisation of plutonium residues, RSC Adv., 2020, 10, 32497.

 

XANES - example 3

Widma XANES na krawędzi K wanadu (a) elektrochemicznie litowanych elektrod V2O3(SO4)2 w różnych stanach rozładowania i naładowania oraz (b) litowanych chemicznie próbek V2O3(SO4)2 w porównaniu z materiałami odniesienia: V2O5, VOSO4·3H2O i V2O3, (c) energia krawędzi K wanadu (w połowie wysokości) w funkcji stopnia utlenienia. W tym przypadku spektroskopia XANES została wykorzystana do zbadania procesu wprowadzania jonów Li+ do V2O3(SO4)2 (obiecujący materiał na akumulatory litowo-jonowe o wysokiej gęstości energii) drogą elektrochemiczną i chemiczną. Wyniki pokazują, że 2.0 jony Li+ można wprowadzać elektrochemicznie, w wyniku czego Li2V2O3 (SO4)2 jest przypisywana parze redoks V4+/ V5+. W przypadku materiałów litowanych chemicznie, aż do 4.0 jonów Li+ można wprowadzić do V2O3(SO4)2, redukując V5+ do V3+.

Zaadoptowano z pracy:
Stephanie F. Linnell, Julia L. Payne, David M. Pickup, Alan V. Chadwick, A. Robert Armstong and John T. S. Irvine, Lithiation of V2O3(SO4)2 – a flexible insertion host, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 19502. DOI: 10.1039/d0ta06608g

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

 

Logotypy partnerów