17 kwietnia 2018
Tutaj prezentujemy protokół dla typowych eksperymentów miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (sXAS) i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS) z zastosowaniem w badaniach materiałów akumulatorowych.
Ogólnym celem tego protokołu jest zastosowanie spektroskopii absorpcyjnej miękkiego promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego do badań materiałów akumulatorowych. Metoda ta polega na wykorzystaniu spektroskopii miękkiego promieniowania rentgenowskiego, w tym absorpcji promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, tak zwanych RIXS, jako unikalnych narzędzi do odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie baterii. Główną zaletą tej techniki jest to, że może ona bezpośrednio badać reakcje chemiczne w różnych materiałach akumulatorów i rozwijać tę dziedzinę poza konwencjonalne podejście oparte na próbach i błędach.
Chociaż ta metoda może zapewnić wgląd w materiały baterii, można ją również zastosować do innych systemów, takich jak katalizatory, ogniwa słoneczne i półprzewodniki. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ bez niej trudno jest nauczyć się spektroskopii miękkiego promieniowania rentgenowskiego opartej na synchrotronie. Ten protokół stanowi szczegółowy wizualny przykład typowego eksperymentu.
Aby rozpocząć, przytnij próbki materiału baterii tak, aby pasowały do uchwytu próbki, upewniając się, że każda próbka jest większa niż plamka wiązki. Zamocuj próbki na uchwycie próbki za pomocą dwustronnej taśmy przewodzącej. W przypadku niektórych próbek proszku użyj folii indowej do przyklejenia, jeśli to konieczne.
Następnie odpowietrzyć blokadę obciążenia próbki gazowym azotem. Użyj chwytaka próbki, takiego jak duża pęseta, aby załadować uchwyt na próbkę do zamka ładowania. Zamknij i oceń blokadę obciążenia.
Gdy ciśnienie blokady ładunku jest wystarczająco niskie, otwórz zawór między blokadą obciążenia a komorą główną. Za pomocą ramienia transferowego przenieść uchwyt próbki do głównego manipulatora w komorze głównej. Zamknij zawór do zamka obciążenia, a następnie otwórz zawór między komorą główną a linią belki.
Zlokalizuj plamkę wiązki, obserwując fluorescencję światła widzialnego na próbce referencyjnej lub na luminoforze nałożonym na uchwyt próbki. Umieść próbkę w plamce wiązki za pomocą elementów sterujących manipulatora próbek. Podłącz sygnałowe monitora strumienia wiązki promieniowania rentgenowskiego do komputera pomiarowego.
Dostosuj szczeliny monochromatora linii wiązki, aby dostroić rozdzielczość energii padającej wiązki promieniowania rentgenowskiego. Następnie ustaw energię padającej wiązki na krawędź absorpcyjną elementu lub elementów będących przedmiotem zainteresowania. Zamocuj mechanizm monochromatora na miejscu.
Zmierz natężenie strumienia wiązki i określ wartość szczeliny undulatora, która zapewnia maksymalny możliwy strumień wiązki. Aby rozpocząć proces zbierania danych sXAS, upewnij się, że sygnał prądu próbki używany do pomiaru całkowitej wydajności elektronów jest kierowany do komputera pomiarowego. Włącz zasilacze i sterowniki powielacza elektronów lub fotodiody służącej do pomiaru całkowitej wydajności fluorescencji.
Upewnij się, że sygnał jest kierowany do komputera. Następnie w oprogramowaniu do akwizycji danych wybierz opcję Single Motor Can (Skanowanie pojedynczym silnikiem). Otwórz menu Scan Setup (Ustawienia skanowania) i ustaw zakres skanowania fotonów padających promieni rentgenowskich tak, aby obejmował krawędź zainteresowania sXAS.
Kliknij przycisk Rozpocznij skanowanie, aby jednocześnie zarejestrować całkowitą wydajność elektronów, całkowitą wydajność fluorescencji i strumień wiązki podczas skanowania padającej energii fotonów promieniowania rentgenowskiego. Postępuj zgodnie z tą samą procedurą wyrównywania wiązki i zbierania danych, aby uzyskać dane sXAS dla dodatkowych próbek. Jeśli próbka referencyjna została zeskanowana, należy odpowiednio dostosować zakres skanowania do wszelkich zaobserwowanych zmian w wartościach sXAS.
Po zebraniu danych sXAS włącz spektrometr dla systemu sXES i RIXS i schładzaj detektor miękkiego promieniowania rentgenowskiego, a następnie otwórz elementy sterujące silnikiem. Ustaw parametry spektrografu tak, aby obejmowały zakres energii elementów i krawędzi będących przedmiotem zainteresowania. Następnie wybierz opcję CCD Instrument Scan (Skanowanie instrumentu CCD) i otwórz okno Scan Setup (Ustawienia skanowania).
W przypadku sXES ustaw pojedynczą wartość około 20 do 30 elektronowoltów powyżej skalibrowanej krawędzi absorpcji sXAS. W przypadku RIXS ustaw zakres skanowania tak, aby obejmował krawędź absorpcji sXAS. Wybierz opcję Apply Cosmic Ray Filter (Zastosuj filtr promieniowania kosmicznego), aby sygnały promieniowania kosmicznego zostały usunięte z surowych obrazów RIXS 2D po początkowym zebraniu danych.
Rozpocznij skanowanie, aby zebrać sygnały fluorescencyjne w postaci obrazu 2D dla każdej energii wzbudzenia. Obraz RIXS został pobrany z próbki materiału akumulatora litowo-jonowego w zakresie energii krawędzi tlenu-K oraz krawędzi manganu, kobaltu i niklu-L. Pełny zakres sXES obejmujący wszystkie cztery krawędzie jednocześnie został zebrany w ciągu 10 sekund.
Mapa RIXS krawędzi niklu-L została wygenerowana na podstawie surowych danych obrazu RIXS. Analiza tej mapy wykazała, że cechy Nickel-L RIXS były zdominowane przez wzbudzenia d-d. Stany redoks metali przejściowych w materiałach akumulatorów sodowo-jonowych i litowo-jonowych analizowano poprzez ilościowe dopasowanie widm sXAS.
Powierzchniowy rozkład wartościowości manganu w warstwowych elektrodach sodowo-manganowych na różnych stanach elektrochemicznych określono poprzez ilościowe dopasowanie widm sXAS do liniowej kombinacji widm referencyjnych kationów manganu II, III i IV. Proces redoks elektrody litowo-niklowo-manganowej spinelu zidentyfikowano jako sekwencyjne transfery pojedynczych elektronów za pomocą podobnego ilościowego podejścia do dopasowania przy użyciu całkowitej wydajności fluorescencji. Pośrednie stany naładowania elektrod litowo-żelazowo-fosforanowych określono za pomocą dopasowania ilościowego na podstawie widm sXAS elektrod przy ładunku 0% i 100%.
Dokładamy starań, aby wykorzystać spektroskopię miękkiego promieniowania rentgenowskiego opartą na synchrotronie do scharakteryzowania materiałów akumulatorowych z niespotykanymi dotąd wynikami. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie materiałów akumulatorowych. Naukowcy mogą go wykorzystać do zbadania podstawowej mechanuli materiału baterii.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonywać spektroskopię miękkiego promieniowania rentgenowskiego na synchrotronowym źródle światła.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Niniejszy protokół opisuje zastosowanie miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieni rentgenowskich (sXAS) oraz rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieni rentgenowskich (RIXS) do badania materiałów ogniw. Techniki te umożliwiają bezpośrednie badanie reakcji chemicznych, rozwijając badania poza tradycyjne metody.
Międzyelementowa miękkie promieniowanie rentgenowskie w spektroskopii absorpcyjnej (sXAS) oraz rezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich (RIXS) zapewniają bezpośredni, ilościowy wgląd w stany chemiczne i mechanizmy redoks materiałów bateryjnych. Techniki te umożliwiają eliminację ryzyka mechanistycznego i zapewniają pewność prognostyczną w krytycznych punktach zwrotnych w procesach badawczo-rozwojowych w obszarze magazynowania energii. Ich zastosowanie wspiera podejmowanie decyzji portfelowych w oparciu o dane i przyspiesza przejście od empirycznego przesiewania do racjonalnej optymalizacji materiałów.
Techniki sXAS i RIXS wpisują się w proces od odkrycia do etapu przedklinicznego, umożliwiając bezpośrednią analizę stanu chemicznego, co wspiera zarówno wczesne testowanie hipotez, jak i późniejszą walidację materiałów.