创谱小知识系列05 | X射线吸收精细结构（XAFS）应用简介②

2026-05-21 11:51:12 安徽创谱科技股份有限公司

本期小知识我们将继续为大家解读XAFS

在催化和环境科学领域的应用。

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催化

}

通过XAFS获得催化剂在载体上存在的形态，与载体的相互作用形式及在催化过程中的变化，以及含量极低的金属离子的近邻结构等。通常采用XANES图谱获取催化剂的化学价态，结合EXAFS获取键长及配位数信息，完成催化机理研究和过程分析。

案例

光催化H₂O还原CO₂为CH₄是实现“碳中和”的有效途径之一。该反应中由于质子与CO₂的耦合同质子与质子间的耦合存在着剧烈的竞争，最终导致产物中CH₄的选择性比较低。通过XAS（TableXAFS-500）研究N-C@Co上CO₂选择性光催化还原为CH₄的机理。根据制备后的N-C@Co的XANES谱图获取Co价态信息，证实Co-O键可以被Co-N和Co-C键完全替代。根据EXAFS谱图对键长的确认，进一步证明了Co与氮掺杂碳层在N-C@Co上形成了很强的相互作用，Co-C键作为电子传输通道促进了光生电子和光生空穴的分离效率，进而提高了样品N-C@Co表面的光生电子浓度。

样品N-C@Co以及对应的参比样品的XAS图谱：(a)Co K-edge XANES 光谱；通过与Co标样对比可近似判断价态位于0~+2价且接近于0价，表明了Co与C层形成了强相互作用。(b)N-C@Co的FT k3加权EXAFS光谱，可观察各配位键长，其中催化剂中Co-Co配位键长略小于Co箔，进一步证明表明了Co与C层形成了强相互作用，且催化剂中未观察到Co-O键，表明催化剂中不存在CoO_x物质；(c)N-C@Co的R-空间，q-空间拟合FT EXAFS光谱结果；(d)k-空间拟合结果；(e)N-C@Co以及所对应的参比样品的小波变换数据（WT）。

参考文献：M. Ma, J. Chen, Z. Huang, W. Fa, F. Wang, Y. Cao, Y. Yang, Z. Rao, R. Wang, R. Zhang, Y. Zou, Y. Zhou, Intermolecular hydrogen bond modulating the selective coupling of protons and CO₂ to CH₄ over nitrogen-doped carbon layers modified cobalt, Chemical Engineering Journal (2022)

案例

通过XAFS对Mn的K边随电化学电位的变化进行分析。在阳极电位增加的情况下，所有体系XAFS图谱都显示出Mn K边向更高光子能量的偏移，且含Au的体系具有更显著的偏移，即Mn原子具有更高的氧化态。Au L₃边显示，在低Au浓度30%时，可以看到明显的氧化，而在50%时则没有。通过XAFS对Au的L₃边进行分析，在位于开路电压时谱图接近，当电位提升到1.65V时，30%Au浓度的材料具有更高的吸收峰强度，意味着更多的Au原子被氧化。综合研究表明，锰氧化物和金之间的有益相互作用不仅仅取决于邻近锰-金位点的数量，与Au粒子的形态或靠近OER活性Mn位点的Au位类型具有重要关系。即当Au存在时，Mn在反应条件下具有较高的氧化态，从而提高催化活性，其活性增强的幅度随Au团簇尺寸减小而增大。

参考文献：Rasmus Frydendala，et al.Operando in-vestigation of Au-MnOx thin films with improved activity for the oxygen evo-lution reaction，Elec-trochimica Acta 230 (2017) 22–28

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环境科学

}

主要采用XANES进行化学价态分析，EXAFS一般用于谱图对比验证物质组分，广泛用于玻璃，土壤，塑料，煤，铬鞣革和超镁铁矿岩石中的元素的价态和含量的分析；动植物组织等样品分析；重金属污染检测等。

案例

研究土壤中As释放路径及与Fe(Ⅲ)还原性关系，以及As(Ⅴ)与As(Ⅲ)对As释放的影响。通过XAFS表征研究，尽管在土壤中很多微量元素的存在与Fe还原性相关，但As的释放量却不随Fe还原性变化；根据对蜈蚣草吸附As研究及XAFS表征可知，通过As(Ⅴ)向As(Ⅲ)转化实现富集As；进一步研究可知土壤中As(Ⅴ)向As(Ⅲ)转化促进土壤中As的释放。

通过对不同Fe物质的XAFS测量，根据归一化XANES图谱形貌，不同深度土壤中Fe近边峰均与水合氧化铁相似，表明Fe以3价（氢）氧化铁形式存在。
归一化EXAFS图谱中不同深度土壤中Fe均与水合氧化铁相似，但却与同为三价的赤铁矿与针铁矿有较大差异。表明所有深度土壤中的铁主要以水合氧化铁的形式存在。

参考文献：Satoshi Mitsunobu，Characterization of Fe(III) (hydr)oxides in arsenic contaminated soil under various redox conditions by XAFS and Mössbauer spectroscopies，Applied Geoche-mistry 23 (2008) 3236–3243

对蜈蚣草不同组织进行As的XAFS测量，通过XANES谱图可以进行As价态识别，根据吸收边能量位置可知，从土壤层到新叶位置As(Ⅴ)逐步降低到As(Ⅲ)；通过EXAFS的变换，并对比其他富集As植物，可进行As吸附配位种类确认。

参考文献：Huang Z C et al Env.Sci.& Tec. In Press

案例

研究陶瓷过滤器预曝气对去除地下水中As和Fe的影响，通过XAFS分析表明，Fe²⁺和As³⁺的氧化和随后的采用/沉淀是控制CFs中As和Fe去除的主要过程。

谱图为沉淀物As的L₃边XAFS谱图，通过价态及谱型可确认沉淀物中主要为As⁵⁺,去除机理为As³⁺氧化为As⁵⁺后沉淀净化。

参考文献：Md. Shafiquzzaman，Effect of pre-aeration on the removal of arsenic andiron from natural groundwater in household based ceramic Filters，Journal of Environmental Management 291 (2021) 112681

案例

通过x射线吸收光谱进行浸出/萃取试验和地球化学模拟，对固体焚烧底灰进行研究，从而对其风险危害进行评估，并为分类提供依据。主要采用EXAFS，通过对比光谱，可得出具有相同的形式谱图的样品包含相同的主要物种。进行配位键长检测，进而确定元素构型。

参考文献：Charlotta Tiberg，Speciation of Cu and Zn in bottom ash from solid waste incineration studied by XAS,XRD,and geo-chemical modelling，Waste Management 119 (2021) 389–398