仪器分析课件-X-射线衍射分析-XRD-Note.ppt

1、l现代仪器分析现代仪器分析X-Ray DiffractionlPhase Identification Element AnalysislPhases as little as 1-3%sample weight can be identifiedlQualitative or QuantitativelMust be crystalline!M.K.Rntgen伦琴伦琴德国物理学家德国物理学家(1845-1923)伦琴是德国维尔茨堡大学校长，第一届诺贝尔奖获得者。1895年他发现一种穿透力很强的一种射线。后来很快在医学上得到应用，也引起各方面重视。Wavelengths 0.1=25A固态物

2、质按其原子（或分子、离子）在空间排列是否长程有序分成晶态和无定形两类。所谓长程有序是指固态物质的原子（或分子、离子）在空间按一定方式周期性的重复排列。整个晶体是由晶胞按周期性在三维空间重复排列而成。理想的晶体结构可以用具有一定对称性的、周期的、无限的三维点阵结构加以描述。晶体的理想外形和宏观物理性质制约于32点群，而原子和分子水平上的空间结构的对称性则分属于230个空间群。1.晶胞的大小和形状，可以用晶胞参数表示2.晶胞中各原子的坐标位置，通常用分数坐标(x,y,z)表示。Cs原子的位置可用向量OP=xa+yb+zcCs的分数坐标1/21/21/2;Cl分数坐标为000。XYZOPCsCl晶胞

3、晶胞abc空间点阵可以从不同方向划分出不同的平面点阵组，每一组中的每个点阵平面都是互相平行的。各组平面点阵对应于实际晶体结构中不同方向上的晶面。晶面是平面点阵所处的平面。晶面可用晶面指标h*,k*,l*标记。(010)(320)(110)(100)(120)abd晶面在三个晶轴上的倒易截数的互质整数之比。截距：ha,kb,lc截数：h,k,l倒易截数：1/h,1/k,1/l倒易截数之比化为一组互质的整数比：1/h:1/k:1/lh*:k*:l*(h*k*l*)称为晶面指标，如右图所示的晶面：1/3:1/2:1/12:3:6，则晶面指标为(236)。abc当一束X射线平面电磁波照射晶体时，晶体中

4、原子周围的电子受X射线周期变化的电场作用而振动，从而使每个电子都变为发射球面电磁波的次生波源。所发射球面波的频率、位相（周相）均与入射的X射线相一致。基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子的散射波可相互干涉相互叠加，称之为相干散射或衍射。d2入射线反射线晶面法线入射角反射角点阵平面波长为的X射线入射任一点阵平面上，在这一点阵平面上各个点阵点的散射波相互加强的条件是入射角与反射角相等，入射线、反射线和晶面法线在同一平面上。d2入射角反射角ABC满足衍射方向的条满足衍射方向的条件为：件为：=AB+BC=n即即2dsin=n2dh*k*l*sinhkl=nh=nh*,k=nk*,l=nl*,n称为衍射

5、级数称为衍射级数对于不同的晶系，晶面间距dh*k*l*与晶胞参数a,b,c,之间具有对应关系。立方晶系:dh*k*l*=(h*2+k*2+l*2)/a2-1/2六方晶系：dh*k*l*=4/3(h*2+h*k*+k*2)a-2+l*2c-2-1/2三方晶系:dh*k*l*=a-2(1+2cos3-3cos2)-1(h*2+k*2+l*2)sin2+2(h*k*+k*l*+l*h*)(cos2-cos)-1/2四方晶系:dh*k*l*=(h*2+k*2)a-2+l*2c-2-1/2正交晶系:dh*k*l*=(a-2h*2+b-2k*2+c-2l*2)-1/2单斜晶系:dh*k*l*=(a-2h*

6、2+b-2k*2sin2+c-2l*2-c-1a-12l*h*cos)(sin)-2-1/2如简单的立方晶系：dh*k*l*=(h*2+k*2+l*2)/a2-1/2将上式带入Bragg方程，得：2(h*2+k*2+l*2)/a2-1/2sinhkl=nsin2hkl=(n22/4a2)(h*2+k*2+l*2)这样，就将实验的衍射方向和晶体的微观结构参数a,b,c等联系在一起。可以证明，衍射指标h,k,l，衍射级数n和晶面指标h*,k*,l*之间具有下列关系：h=nh*,k=nk*,l=nl*对于一个由q个原子所组成的晶胞，由于各个原子的位相不同，所以晶胞在(hkl)衍射方向所产生的衍射强度

7、I(hkl)并不等于其中q个原子所产生强度的简单加和。I(hkl)Ief2j=Ie|F(hkl)|2|F(hkl)|2=fjcos2(hxj+kyj+lzj)2+fjsin2(hxj+kyj+lzj)2F(hkl)称为结构因子，|F(hkl)|称为结构振幅。上式是衍射强度与结构因子的关系式，是计算晶胞在各衍射方向衍射X射线的相对强度的重要公式。该公式把衍射的相对强度与晶胞中原子的位置联系起来，通过对衍射强度的测定，则可得到晶胞中原子分布的信息。TheX-rayDiffractometervCusource,X-raybeam,interactionwithspecimenvDetectorre

8、cordsdiffractionpatternatvariedanglesPowderXRDvPowder,crystalsinrandomorientationsvGoniometerswingsthroughmanyanglesvEnoughcrystals,enoughangles,getenoughdiffractiontodeterminemineralogyOFS1H1C1H2C2若样品平面由S1位置绕O轴转动角至S2位置，求满足衍射条件的C1OC2=?FOH1=H1OC1,FOH2=H2OC2,2(FOH1-FOH2)=2,C1OC2=FOC1-FOC2,FOC1=2FOH1,F

9、OC2=2FOH2,C1OC2=2(FOH1-FOH2)=2P1S2P2每种晶体都有它自己的晶面间距d，而且其中原子按照一定的方式排布着。这反映在衍射图上各种晶体的谱线有它自己特定的位置、数目和强度I。因此，只须将未知样品衍射图中各谱线测定的角度及强度I去和已知样品所得的谱线进行比较就可以达到物相分析的目的。在缺乏对照样品的情况下，可以采用下列方法。由实验的值按下式求出各个线条的d/n值：d/n=/2sin选出其中三条最强粉末线的d/n值及其强度I，去和所谓的ASTM(AmericanSocietyforTestingMaterials)左上角的数值进行对比就可以确定未知样品的物相了。对某一晶

10、体，现假设一可能的结构，并推算出不同衍射指标(hkl)所代表的各衍射方向的|F(hkl)|2值，即相对强度。将实验结果与推算结果进行比较，若一致说明假设的结构为晶体的真实结构；若不一致，在重新假设并推算和比较，直至一致为之。平均晶粒度的测定平均晶粒度的测定Scherrer方程：注意：1.为半峰宽度，即衍射强度为极大值一半处的宽度，单位以弧度表示；2.Dhkl只代表晶面法线方向的晶粒大小，与其他方向的晶粒大小无关；3.k为形状因子，对球状粒子k=1.075，立方晶体k=0.9，一般要求不高时就取k=1。4.测定范围3200nm。DdhklhklkDcos镍催化剂晶粒大小的测定镍催化剂晶粒大小的测

11、定1/2=202(0)镍催化剂的镍催化剂的(111)峰峰(Cu靶靶)由镍催化剂衍射图可以求出其垂直于(111)面的平均晶粒大小，即埃43926.023.57542.19.0cos9.02/1111DMCM-22ZSM-35ZSM-35+MCM-22ZSM-35MCM-22和和ZSM-35共结晶的合成共结晶的合成ZSM-35和和Mordenite共结晶的合成共结晶的合成ZSM-35MordeniteZSM-35ZSM-5ZSM-5+ZSM-35ZSM-35ZSM-5和和ZSM-35共结晶的合成共结晶的合成硅溶胶作硅源合成硅溶胶作硅源合成Fe-Al-MCM-22Al-MCM-22510152025

12、30354088h (0/1)48h (0/1)intensity2 theta51015202530354088h (1/1)48h (1/1)2 thetaFe-Al-MCM-22硅溶胶作硅源合成硅溶胶作硅源合成Fe-Al-MCM-22Fe-Al-MCM-22Fe-MCM-22510152025303540137h (4/1)104h (4/1)intensity2 theta510152025303540161 h (1/0)133 h (1/0)2 theta采用硅酸钠合成采用硅酸钠合成Fe-Al-MCM-22510152025303540(4/1)(1/1)(0/1)107h84h9

13、5hintensity2 theta510152025303540(1/0)(1/0)(1/0)110hadding seeds132h84h2 thetaFe-Al-MCM-22Fe-MCM-22和加入晶种和加入晶种时的情况时的情况2杂原子杂原子AlPO-11分子筛结构分子筛结构杂原子杂原子SAPO-11分子筛结构分子筛结构2020406080:AgO5002hHe5002hHe7002hO7002h16%Ag/SiO2Intensity/a.u.2/o不同温度焙烧的不同温度焙烧的Ag/SiO2催化剂催化剂XRD谱谱1.浸渍法制备2.16%Ag/SiO23.CO选择氧化催化剂02040608

14、0Ag6-SiO2O2-800/1hO2-700/1hO2-600/1hO2-500/1hO2-300/1hAg6-SiO2Intensity/a.u.2/o不同温度焙烧的不同温度焙烧的Ag/SiO2催化剂催化剂XRD谱谱1.简单混合法2.16%Ag/SiO23.O2气氛下焙烧温度对焙烧温度对LaMn1Al11O19晶体结构的影响晶体结构的影响 Supercritical drying Supercritical dryingMn含量对含量对LaMnxAl12-xO19晶体结构的影响晶体结构的影响(1)x=0,(2)x=0.5,(3)x=1,(4)x=2,(5)x=3,(6)x=6CexTi1

15、-xO2样品的样品的XRD谱图谱图Dot:experimentaldataSolidline:calculateddataBottomcurve:thedifferencebetweentheexperimentalandcalculateddata.a:0.9811(8)nmb:0.3726(3)nmc:0.6831(6)nm:118.84Ce0.3Ti0.7O2样品样品XRD精细结构分析谱图精细结构分析谱图Ce0.8Ti0.2O2样品在不同温度焙烧下的样品在不同温度焙烧下的XRD谱图谱图Ce0.3Ti0.7O2样品在不同温度焙烧下的样品在不同温度焙烧下的XRD谱图谱图镍钼双金属氧化物和镍钼双金属氧化物和氮化物的氮化物的XRD谱图谱图-NiMoO4+MoO3-NiMoO4+MoO3纯纯Ni2Mo3N-Al2O3+Ni2Mo3NNi2Mo3N/Al2O3样品的样品的XRD谱图谱图16nm钴钼双金属氧化物和钴钼双金属氧化物和氮化物的氮化物的XRD谱图谱图21nmCo3Mo3N/Al2O3样品的样品的XRD谱图谱图Co3Mo3N和和Co3Mo3C的的XRD谱图谱图a=1.1024nma=1.1071nm立方晶系立方晶系Co3Mo3NxCy/Al2O3样样品的品的XRD谱图谱图Co3Mo3C/Al2O3样品的样品的XRD谱图谱图24nm