使用同步辐射纳米分辩谱学成像技能提醒氧化复原反响的相变进程

中科院之声 / 2018年08月13日 12:23

品牌

中国科学院高能物理研讨所多学科中心X射线成像试验站副研讨员袁清习和国内外课题组协作,树立了根据同步辐射纳米分辩谱学成像技能追寻氧化复原反响相变进程的办法,并成功运用于锂离子电池电料相变进程的研讨。研讨成果近期宣布在《天然-通讯》(Nature Communications)期刊上。

同步辐射谱学成像(XANES imaging)是运用特定元素对X射线能量的不同呼应特性来取得样品内部对应元素的化学价态三维散布。根据波带片全场成像办法的纳米分辩谱学成像技能可以取得高空间分辩的描摹和化学信息,近年来受到了越来越多的注重,在资料科学范畴尤其是在动力资料范畴的研讨中表现出重要潜力。

针对纳米分辩谱学成像办法学和运用研讨,高能所多学科中心X射线成像试验站近年来展开了很多的作业。其间,袁清习和国内外多个同步辐射设备树立紧密联系,在技能研制、科研运用等方面展开了广泛的协作。近期,袁清习联合美国斯坦福同步辐射光源研讨员刘宜晋课题组、弗吉尼亚理工大学教授林锋课题组提出了运用同步辐射纳米分辩谱学成像技能研讨氧化复原反响的不均匀相变进程的新办法。这个联合团队成功将他们提出的新办法运用于Li(NixMnyCoz)O2 (NMC)三元正极资料的研讨中,提醒了该资料热安稳性的一系列问题。该项作业宣布于Nature Communications 9, 2810,2018,一起榜首作者为弗吉尼亚理工大学博士穆林沁和高能所袁清习。

以NMC正极资猜中的运用为实例,该试验办法的作业流程如下:首要,为了研讨该资料系统在不同温度下的行为,展开原位试验,运用谱学成像取得很多空间分辩的吸收谱数据;其次,提取Ni元素K边吸收能量表明相应的化学状况,高能量代表高价态(相对氧化态),低能量代表贱价态(相对复原态)。进而运用样品在不同温度条件下的化学价态散布成果来表征氧化复原相变进程;第三,挑选特定的Ni元素价态(例如,挑选氧化复原反响最剧烈的能量点代表的价态),运用所收集的很多数据来描绘Ni元素等价态面的三维散布,比照不同反响条件下的等价态面散布来表征相变的发作、开展及相变前沿的推动进程;最终,引进等价面局域曲率(反响界面局域曲率)的概念,来描绘成核成长及整个相变的杂乱进程。

图1为Ni的价态随NMC资料加热进程的改变,其间的每一条曲线代表了相应条件下根据悉数像素的Ni价态的散布状况,可以看出化学反响从开端到完毕全进程Ni元素价态散布的演化状况。图2给出了四个特定反响条件下Ni等价态面的发作、开展进程,所挑选的Ni价态为8341eV对应的价态。从图1可以看出,8341eV代表的价态可以代表是化学反响最剧烈状况。图3顶用不同色彩表明了镍元素的吸收边能量代表的镍元素的价态。受由晶粒鸿沟和其局域的化学环境(不同组分和缺点)所影响,相变进程一般非常杂乱,如图3a所示,镍阳离子三维的描摹由不同的价态组成,从相对复原态(低能量态)到相对氧化状况(高能量态)。这些三维的价态推动前端供给了一个直观的三维立体多面体。复原态和氧化态别离代表了子相和母相,相变反响的推移前端从图3a到图3c。一起,作者将这些三维多面体每个局域的曲率计算出来,并别离用赤色和蓝色代表局域曲率为正值和负值。从图3d、e可以看出相变进程中局域价态曲率的演化进程。

这项作业不仅对锂离子电极资料的热安稳性和热致相变给出了具体的描绘,还为下一步的储能资料优化供给了一些思路。研讨作业所运用的办法可以推行到愈加宽广的研讨范畴,尤其是杂乱系统的非均匀相变进程等的研讨中。特别是考虑到下一代同步辐射光源的开展,更高的亮度将会大大下降试验的时刻,然后可以更好地捕捉到相变进程中的非安稳状况,为动力资料、环境科学等研讨范畴供给有力的东西。

图1 NMC样品中镍元素的价态随加热进程的改变。(a)为镍元素的局域价态直方图。(b-e)为原位观测镍价态信息示意图。镍的价态由Ni 的K吸收边能量表明,高能量和低能量别离代表了高价态和贱价态。

图2 NMC样品不同反响条件下Ni等价态面的发生、开展及推动进程。

图3 部分镍元素价态曲率随相改变的演化。(a,b,c)别离代表了不同能量(8339, 8340 和8341 eV)的Ni K-edge的等值面构成的三维曲面。图d和e表明了在不同能量范围内价态曲率跟着能量值的改变。

1. 中国品牌新闻网遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2. 中国品牌新闻网的原创文章,请转载时务必注明文章作者和"来源: 中国品牌新闻网",不尊重原创的行为 中国品牌新闻网或将追究责任;3.作者投稿可能会经 中国品牌新闻网编辑修改或补充。