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負(fù)責(zé)人:鄭雷 010-88235979??zhenglei@ihep.ac.cn????
試用課題(PILOT proposal)聯(lián)系人:馬陳燕,010-88235979, macny@ihep.ac.cn????
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【科學(xué)目標(biāo)?Scientific Scope】????
X射線能量2.1keV~10keV范圍內(nèi)的穩(wěn)定和高效的吸收譜測(cè)試,獲取包括物質(zhì)的化學(xué)形態(tài)、幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)等信息。????
【主要特色?Features】????
覆蓋中等能區(qū)X射線,可開展低Z元素(S,P,Cl,Ar,K,Ca);重金屬元素(Cu,F(xiàn)e,Co,Ni,Mn等)的K吸收邊;過渡金屬元素的L,M吸收邊等;????
? ? 多樣品形態(tài)(固,液,氣,混合態(tài));????
? ? 多樣品環(huán)境:原位電化學(xué),電催化,高低溫環(huán)境等。????
【主要參數(shù)?Specifications】????
| 能量范圍(keV) | 2.1-10keV |
| 能量分辨率(△E/E) | ~2E-4 |
| 最小光斑尺寸(H×V) | 20μm×20μm |
| 最大光斑尺寸(H×V) | 15000μm×1500μm |
| 光通量 | 1E10~1E12 phs/s |
| 樣品環(huán)境 | 高溫/低溫 |
| 探測(cè)器 | 7元SDD,Lytle |
【主要實(shí)驗(yàn)方法】
XAFS - X-ray absorption fine structure
XANES - X-ray absorption near-edge structure
XRF - X-ray fluorescence
【線站設(shè)備Equipment Availability】
實(shí)驗(yàn)站由兩部分組成:真空腔體和EXAFS裝置。
腔體:真空度可達(dá)到1E-4Pa以下,一般用于低能段(2.1keV~5.0keV)元素的吸收邊測(cè)試,模式有全電子產(chǎn)額法(TEY)和部分熒光法(PFY);真空也和氦氣氛相互轉(zhuǎn)換,為減少空氣的吸收,測(cè)量低能元素的液態(tài)樣品可在氦氣氛下實(shí)驗(yàn);
EXAFS測(cè)量系統(tǒng):大氣環(huán)境中,一般用于測(cè)試高于5KeV的元素吸收邊,可以使用透射法(TM)和熒光產(chǎn)額法(PFY)進(jìn)行吸收譜測(cè)試;具有三個(gè)電離室,測(cè)試樣品放置于前電離室1和后電離室2之間,后電離室3前放置標(biāo)準(zhǔn)濾片盤以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)能量。?
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上樣機(jī)械手 |
KB聚焦鏡 | |
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為了提高用戶的實(shí)驗(yàn)效率和體驗(yàn),在EXAFS裝置處配備6軸上樣機(jī)械手和樣品盤,可同時(shí)容納50個(gè)樣品,換樣時(shí)間小于10秒;其控制系統(tǒng)嵌入采譜程序,可自動(dòng)更換樣品并連續(xù)采譜,無需人工干預(yù);從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)化,高效率支撐前沿研究。 |
實(shí)驗(yàn)站后面配置KB聚焦鏡,將光斑大小再次聚焦到13μm*14μm,工作距離200mm,適合小焦斑實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 |
【樣品環(huán)境Sample Environments】
原位環(huán)境:
高溫氣固相原位裝置:
對(duì)大氣環(huán)境中的固態(tài)樣品,可實(shí)現(xiàn)室溫至873K的加熱變溫實(shí)驗(yàn),精度為士1℃,可電腦本地或遠(yuǎn)程控溫;兼容透射或熒光模式兩種模式,頂部加裝氣體循環(huán)裝置,可以通入反應(yīng)氣體,實(shí)現(xiàn)原位固氣相反應(yīng)可用于氣體催化實(shí)驗(yàn);并在X射線的同側(cè)樣品面安裝了藍(lán)寶石窗,引入外部觸發(fā)光,可實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)條件;
低溫保持器:
使用液氮制冷,溫控范圍為:80K~300K(室溫),液氮容量1.6升,最快30分鐘可達(dá)到目標(biāo)溫度,溫控穩(wěn)定性±0.1K;配備兩個(gè)樣品桿,更換樣品便捷,只需要5分鐘,每次可以安裝2個(gè)樣品;密封性能好,通常情況下在最低溫度下液氦可保持10小時(shí)以上,以保證長時(shí)間的穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)。 內(nèi)窗直徑15mm,采用120um高純Be膜窗,外窗直徑為35mm,配備120um麥拉膜窗;配備熒光和透射樣品架,以適合不同環(huán)境樣品測(cè)試,。
【探測(cè)器Detectors】
7元SDD:配備兩臺(tái)7元SDD探測(cè)器,分別位于真空腔體處和EXAFS裝置處.
大面積的熒光探測(cè)器:適合低濃度樣品的熒光信號(hào)采集;
【制樣設(shè)備Sample preparation】?
研缽,膠帶;
自動(dòng)壓片機(jī);
【數(shù)據(jù)采集與處理】
軟件組自主開發(fā)了一套吸收譜學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了雙采譜系統(tǒng)的自由切換,嵌入自動(dòng)配氣以及自動(dòng)換樣等一系列功能,對(duì)用戶友好。
由HEPS計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)開發(fā)的兩個(gè)吸收譜數(shù)據(jù)分析軟件,可以實(shí)時(shí)在線或離線對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行XAS match,PCA-LCF以及擴(kuò)展邊擬合等數(shù)據(jù)處理。
【應(yīng)用領(lǐng)域舉例】
固態(tài)Li-S電池原位電化學(xué)反應(yīng)研究:
全固態(tài)鋰硫電池(ASSLSB)具有高比能量、高安全性和低成本的承諾,是下一代儲(chǔ)能的理想選擇。然而,由于三相邊界處緩慢的固-固硫氧化還原反應(yīng)(SSSRR)導(dǎo)致的差的速率性能和短的循環(huán)壽命仍有待解決。
北京大學(xué)龐全全課題組通過設(shè)計(jì)復(fù)合固態(tài)硫正極,觸發(fā)了快速的固固硫反應(yīng),使電池實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的快充性能。利用S的K-edge XANES測(cè)試硫正極在充放電過程中價(jià)態(tài)的演變。觀察到原始電極中的S在第一次放電之后轉(zhuǎn)化成了Li2S及Li2Sx,充滿電之后, Li2S及Li2Sx完全轉(zhuǎn)化成了硫。再一次放電之后,硫又重新轉(zhuǎn)化成了Li2S及Li2Sx,說明電池中硫的反應(yīng)具有良好的可逆性。相關(guān)研究成果已于2025年1月以“All-solid-state Li?S batteries with fast solid?solid sulfurreaction”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊,Nature/637,pages,846–853,(DOI:10.1038 / s41586-024-08298-9)
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-08298-9
大氣-土壤中的汞污染還原機(jī)制研究
汞(Hg)是一種毒性很強(qiáng)的重金屬污染物,其零價(jià)氣態(tài)形式(Hg0)可在大氣中長距離傳播,是全球性污染物之一。通過干濕沉降以及植被的吸收,大氣中的Hg0以二價(jià)汞的形式(Hg2+)被引入濕地生態(tài)系統(tǒng);同時(shí),濕地土壤中存在一系列的還原過程,可將Hg2+還原為Hg0,從而重新釋放到大氣中,減輕了濕地汞污染的程度。然而,這些還原過程的具體機(jī)制以及反應(yīng)程度仍不為人所清楚。
?瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)Kevin Bishop教授和Ulf Skyllberg教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)瑞典北部泥炭地系統(tǒng)中不同深度的泥炭土進(jìn)行了綜合分析,研究了其中Hg2+和Hg0的濃度及同位素特征,以揭示沉積后汞的氧化還原轉(zhuǎn)化過程。研究結(jié)果顯示,大氣干濕沉降將36%的汞輸入泥炭地,而泥炭植被吸收了64%的汞。汞進(jìn)入泥炭地系統(tǒng)后,大部分以Hg2+的形式存在。隨后,表層的光化學(xué)還原導(dǎo)致每年30%的Hg2+被還原成Hg0,并重新釋放到大氣中,且該過程是該體系最主要的還原過程。在地下水位線以上,有機(jī)質(zhì)的暗氧化過程降低了泥炭土壤中Hg0的濃度;而在地下水位線以下,與森林土壤不同,泥炭土壤中過飽和的Hg0更多是來自雨水中Hg2+的直接光化學(xué)還原,而非土壤有機(jī)質(zhì)的暗還原。對(duì)這些光驅(qū)動(dòng)和暗氧化還原過程的識(shí)別和量化推動(dòng)了我們對(duì)泥炭地汞的環(huán)境歸趨、遷移過程以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的理解。
研究人員利用北京同步輻射裝置 4B7A-中能實(shí)驗(yàn)線站研究了不同深度泥炭土壤硫(S)的形態(tài)特征,根據(jù)還原性硫的含量準(zhǔn)確的表征了地下水位的位置,為不同氧化還原環(huán)境中不同的反應(yīng)過程提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以“Mercury deposition and redox transformation processes in peatland constrained by mercury stable isotopes”發(fā)表在Nature Communications | (2023)14:7389.