جرب تقنيات التوصيف الهيكلية عالية الجودة في الغلاف الجوي

في الأبحاث الحديثة ، يعد تصميم وتنظيم خصائص المواد من خلال الجمع بين هندسة العيوب حاليًا نقطة ساخنة للبحث. في أكاسيد المعادن الانتقالية والكبريتيدات والمواد الأخرى ، سيؤدي وجود العيوب إلى تغيير كبير في تركيبها الإلكتروني وخصائصها الكيميائية ، وبالتالي تحقيق تطبيقها الواسع في مجال تخزين الطاقة وتحويلها. على سبيل المثال ، في التصميم الهيكلي لمواد البطاريات ، يمكن أن يؤدي الإدخال الكمي للعيوب إلى تحسين الموصلية الكهربائية للمادة ، وتوفير مواقع أكثر نشاطًا ، وتحسين الانتقال الطوري للمادة أثناء الصخر لتحقيق أداء كهروكيميائي متفوق. تحقيقا لهذه الغاية ، من خلال مراقبة وتوصيف عيوب المواد ، يمكن للباحثين فتح باب جديد لمجال البحث في مواد تخزين الطاقة من خلال دراسة العلاقة بين بنية وخصائص المواد من المستوى الذري. على الرغم من أنه لم يعد من النادر استخدام HRTEM و XPS و EELS وغيرها من التقنيات لتوصيف عيوب المواد ، إلا أن هذه التقنيات يمكن أن تقتصر فقط على دراسة المناطق المحلية لسطح المادة ، والتي تم تمديدها لدراسة العيوب الكلية للمادة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد هذه التقنيات فقط في التحليل شبه الكمي للعيوب السطحية للمواد ، بينما بالنسبة للعينات الأكثر سمكًا ، يكون العمق "أفقيًا إلى قمة التلال". خاصة بالنسبة للعينات ذات العيوب الداخلية والأسطح المختلفة ، فهي أكثر ضعفاً. هنا ، قام المؤلف بتجميع بعض طرق توصيف العيوب عالية المستوى لتوصيف بنية العيب ومحتواه من النقطة الكاملة المجهرية للمادة في مجال البحث في هندسة عيوب المواد في عام 2018 وقام بتحليل ما يلي. إذا كان هناك عدم اكتمال ، فمرحبا بكم في الإضافة.

[طيف إبادة البوزيترون]

طيف إبادة البوزيترون ، المعروف أيضًا باسم طيف عمر إبادة البوزيترون (PILS) ، هو تقنية اختبار جديدة غير مدمرة للمواد التي تدرس خصائص المواد من المستوى الذري. تستخدم هذه التقنية بشكل شائع للكشف عن وجود عيوب وشواغر في المواد الصلبة. مبدأ تقنية الكشف هذه هو اكتشاف وقت الاسترخاء لإطلاق أشعة جاما أثناء الفناء باستخدام الفناء عندما تتفاعل البوزيترونات مع الإلكترونات. يعتمد طول وقت الاسترخاء على حجم المسام للمادة ، أي حجم الشغور. الحكم غير المباشر على عيوب المستوى الذري في المادة بناءً على وقت استرخاء التبريد يجعل التقنية تلعب دورًا كبيرًا في تصميم الخلل وتوصيف مادة تخزين الطاقة.

تم الإبلاغ عن دراسة حديثة لمواد ثاني كبريتيد الموليبدينوم المخدر بالبلاديوم في مقالة Nature Communications (NAT. COMMUN.، 2018، 9، 2120). تم استخدام هذه التقنية لوصف العيوب الناتجة بعد تعاطي المنشطات ، كما هو موضح في الشكل. وجد الباحثون أنه بعد مخدر مادة MoS2 ببلاديوم 1% ، تم إطالة وقت الاسترخاء τ1 لعيب الشبكة ووقت الاسترخاء τ2 لعيب الشغور بشكل كبير. حيث يتم تمديد 1 من 183.6 ثانية إلى 206.2 ثانية ، بينما يتم تمديد 2 من 355.5 ثانية إلى 384.6 ثانية. تشير الزيادة في أوقات الاسترخاء هذه إلى زيادة أبعاد الخلل. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحسين شدة وقت الاسترخاء أيضًا ، مما يعني أن محتوى العيوب في المادة بعد تعاطي المنشطات أعلى بكثير من محتوى مادة ثاني كبريتيد الموليبدينوم غير المغطاة.

[تمديد طيف البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية]

إن البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية الممتدة (XANES) عبارة عن تحليل للبيئة الكيميائية حول ذرة المادة عن طريق ظاهرة امتصاص الأشعة السينية الممتدة الناتجة عن التألق أو الإلكترون الضوئي المنبعث من تشعيع الأشعة السينية للعينة. يتم تحديد ظاهرة امتصاص الأشعة السينية الممتدة من خلال وظيفة الترتيب قصيرة المدى. من الطيف الهيكلي ، يمكن الحصول على بيانات مثل النوع والمسافة ورقم التنسيق للذرات المجاورة للذرة الماصة. يمكن تحديد مقدار العيوب نوعيًا من خلال ملاحظة إزاحة مسافة ذرات التنسيق المجاورة وشدة القمم.

في الآونة الأخيرة ، ذكرت مقالة بحثية لشركة Advanced Energy Material استخدام تقنية XANES لدراسة عيب CaMnO3 كمواد قطب كهربائي (Adv. Energy Mater. 2018 ، 1800612). استخدم الباحثون أطياف XAS و XANES لتحليل عيوب الأكسجين في المادة. يمكن أن نرى من طيف XANES أن ذروة كثافة CMO / S-300 أقل بكثير من كثافة CMO ، مما يثبت انخفاض حالة التكافؤ للمادة بعد تقليل الكبريت. في الخريطة بعد تحويل فورييه ، يُلاحظ أن شدة الذروة لطيف CMO / S-300 أقل من تلك الخاصة بـ CMO ، ويتم إزاحة التباعد المقابل لبعض القمم عن تلك الخاصة بـ CMO. توضح هذه البيانات التغييرات الهيكلية في سطح CMO / S-300 بعد تقليل الكبريت وتشكيل عيوب الأكسجين.

[طيف استجابة الدوران الإلكتروني]

الرنين المغزلي للإلكترون ، المعروف أيضًا باسم استجابة الرنين المغنطيسي (EPR) ، هو انتقال رنين بين مستويات الطاقة المغناطيسية التي تحدث في مجال مغناطيسي ثابت في عينة تحت تأثير المجال الكهرومغناطيسي للترددات الراديوية. عندما يتم تطبيق موجة كهرومغناطيسية من التردد ν في اتجاه عمودي على المجال المغناطيسي الخارجي B ، فإن الطاقة التي يحصل عليها الإلكترون الحر للمادة هي hν. عندما ترضي العلاقة بين ν و B hν = gμB ، يحدث انتقال المستوى المغناطيسي ، بما يتوافق مع ذروة الامتصاص التي تظهر على EPR. يتم تحديد قيمة g بواسطة البيئة الكيميائية التي توجد فيها الإلكترونات غير المزاوجة. المركبات المختلفة لها قيم g مختلفة.

أفادت دراسة حديثة أجرتها Advanced Functional Material عن استخدام تقنية EPR لدراسة المرحلة 1T-2H من مركب MoS2-Mxene الذي يحتوي على عيوب الكبريت كمواد قطب كهربائي لبطاريات الليثيوم الكبريت (Adv. Funct. Mater. 2018 ، 1707578). قام الباحثون بتصنيع مركب مع المرحلة 1T-2H MoS2 و MXene. عن طريق تقليل غاز الأمونيا ، تم الحصول على مواد بدرجات مختلفة من عيوب الكبريت وتم تمييز هياكلها. باستخدام تحليل اختبار EPR ، وجد أن المواد ذات وقت معالجة مختلف بالأمونيا تحتوي على كمية معينة من عيوب الكبريت ، والتي تتوافق مع ذروة الامتصاص بقيمة ag تبلغ 2.0. بالإضافة إلى ذلك ، مع إطالة وقت معالجة الأمونيا ، أصبحت ذروة عيب الكبريت تدريجيًا أقوى وأوسع ، مما أثبت أن العيوب في المادة تزداد تدريجياً مع معالجة غاز الأمونيا. يتسبب وجود عدد كبير من الوظائف الشاغرة في الكبريت في أن يكون للمادة شحنة موجبة محليًا ، وبالتالي زيادة امتصاص أنيونات polysulfide وتحقيق كفاءة تثبيط polysulfide.

【ملخص】

في السنوات الأخيرة ، أصبح البحث عن عيوب الخلل في المواد موضوعًا ساخنًا للغاية. ومع ذلك ، لا يزال معظم البحث في مرحلة فهم العيوب. لهذا السبب ، كعالم مادة ، يجب أن نعرف العالم ونغيره. في عملية البحث ، يجب ألا نتعرف على العالم المجهري للعيوب فحسب ، بل يجب أيضًا تحسين العيوب والتحكم فيها من خلال طرق تخليقية أو تحضيرية معينة. الزهور المتساقطة ليست أشياء بلا قلب ، في Chunni أكثر رباعي الزوايا. إن العيوب التي يبدو أنها تقلل من أداء المادة ليس فقط لها تأثير سلبي على المادة نفسها بعد التصميم الاتجاهي ، ولكنها توفر للباحثين إمكانية تحسين المادة من المستوى الذري ، بحيث يكون لمادة القطب الكهربائي أداء أفضل ككل. توسيع نطاق تطبيقه في تخزين الطاقة وعلوم النانو وهندسة المواد الأخرى.