Experimente estas técnicas de caracterização estrutural de alto nível atmosférico

Em pesquisas recentes, o projeto e a regulação das propriedades dos materiais combinando a engenharia de defeitos é atualmente um ponto de interesse da pesquisa. Em óxidos de metais de transição, sulfetos e outros materiais, a presença de defeitos alterará significativamente sua estrutura eletrônica e propriedades químicas, alcançando assim sua ampla aplicação no campo de armazenamento e conversão de energia. Por exemplo, no projeto estrutural de materiais de bateria, a introdução quantitativa de defeitos pode melhorar a condutividade elétrica do material, fornecer sítios mais ativos e melhorar a transição de fase do material durante a litiação para obter desempenho eletroquímico superior. Para tanto, ao observar e caracterizar os defeitos dos materiais, os pesquisadores podem abrir uma nova porta para o campo de pesquisa de materiais de armazenamento de energia, estudando a relação entre a estrutura e as propriedades dos materiais a nível atômico. Embora já não seja raro o uso de HRTEM, XPS, EELS e outras tecnologias para caracterizar os defeitos dos materiais, essas técnicas só podem ser limitadas ao estudo de áreas locais da superfície do material, que é esticada para o estudo da defeitos gerais do material. Além disso, essas técnicas só podem auxiliar na análise semiquantitativa de defeitos superficiais de materiais, enquanto para amostras mais espessas, é “horizontal ao pico da crista, a profundidade é diferente”. Especialmente para amostras com diferentes defeitos internos e superfícies, é ainda mais impotente. Aqui, o autor compilou alguns métodos de caracterização de defeitos de alto nível para caracterizar a estrutura e o conteúdo do defeito a partir do ponto macroscópico do material no campo de pesquisa da engenharia de defeitos de material em 2018 e analisou o seguinte. Se houver incompletude, bem-vindo para adicionar.

[espectro de aniquilação de pósitrons]

O espectro de aniquilação de pósitrons, também conhecido como espectro de vida de aniquilação de pósitrons (PILS), é uma nova técnica de teste não destrutivo para materiais que estudam as propriedades dos materiais do nível atômico. Esta técnica é comumente usada para detectar a presença de defeitos e vacâncias em materiais sólidos. O princípio desta técnica de detecção é detectar o tempo de relaxamento da liberação de raios gama durante a aniquilação usando aniquilação quando os pósitrons interagem com os elétrons. A duração do tempo de relaxamento depende do tamanho dos poros do material, ou seja, do tamanho da vacância. O julgamento indireto dos defeitos de nível atômico no material com base no tempo de relaxamento da têmpera faz com que a técnica desempenhe um papel importante no projeto do defeito e na caracterização do material de armazenamento de energia.

Um estudo recente de materiais de dissulfeto de molibdênio dopados com paládio foi relatado no artigo da Nature Communications (NAT. COMMUN., 2018, 9, 2120). Esta técnica foi utilizada para caracterizar os defeitos produzidos após a dopagem, como mostra a figura. Os pesquisadores descobriram que depois que o material MoS2 foi dopado com 1% paládio, o tempo de relaxamento τ1 do defeito da rede e o tempo de relaxamento τ2 do defeito de vacância foram significativamente prolongados. Onde τ1 é estendido de 183,6s para 206,2s, enquanto τ2 é estendido de 355,5s para 384,6s. O aumento desses tempos de relaxamento marca um aumento na dimensão do defeito. Além disso, a intensidade do tempo de relaxamento também é melhorada, o que significa que o teor de defeitos no material após a dopagem é significativamente maior do que o do material de dissulfeto de molibdênio não dopado.

[Espectro de estrutura fina de absorção de raios X estendido]

A estrutura fina de absorção de raios X estendida (XANES) é uma análise do ambiente químico ao redor do átomo do material pelo fenômeno de absorção de raios X estendido gerado pela fluorescência ou fotoelétron emitido pela irradiação de raios X da amostra. O fenômeno de absorção estendida de raios X é determinado pela função de ordenação de curto alcance. A partir do espectro estrutural, dados como tipo, distância e número de coordenação dos átomos adjacentes do átomo absorvente podem ser obtidos. A quantidade de defeitos pode ser determinada qualitativamente observando o deslocamento da distância dos átomos de coordenação adjacentes e a intensidade dos picos.

Recentemente, o artigo de pesquisa da Advanced Energy Material relatou o uso da tecnologia XANES para estudar o defeito do CaMnO3 como material de eletrodo (Adv. Energy Mater. 2018, 1800612). Os pesquisadores usaram espectros XAS e XANES para analisar defeitos de oxigênio no material. Pode-se observar pelo espectro XANES que a intensidade de pico do CMO/S-300 é significativamente menor que a do CMO, o que comprova a diminuição do estado de valência do material após a redução do enxofre. No mapa após a transformada de Fourier, observa-se que a intensidade de pico do espectro CMO/S-300 é menor que a do CMO, e o espaçamento correspondente a alguns picos é deslocado do do CMO. Esses dados ilustram as mudanças estruturais na superfície do CMO/S-300 após a redução do enxofre e a formação de defeitos de oxigênio.

[Espectro de Resposta de Spin Eletrônico]

A ressonância de spin eletrônico, também conhecida como resposta de ressonância paramagnética (EPR), é uma transição de ressonância entre os níveis de energia magnética que ocorre em um campo magnético constante em uma amostra sob a ação de um campo eletromagnético de radiofrequência. Quando uma onda eletromagnética de frequência ν é aplicada em uma direção perpendicular ao campo magnético externo B, a energia obtida pelo elétron livre do material é hν. Quando a relação entre ν e B satisfaz hν = gμB, ocorre uma transição de nível magnético, correspondente a um pico de absorção que aparece no EPR. O valor de g é determinado pelo ambiente químico no qual os elétrons desemparelhados estão localizados. Diferentes compostos têm diferentes valores de g.

Um estudo recente da Advanced Functional Material relatou o uso da tecnologia EPR para estudar o composto MoS2-Mxene de fase 1T-2H contendo defeitos de enxofre como material de eletrodo para baterias de lítio-enxofre (Adv. Funct. Mater. 2018, 1707578). Os pesquisadores sintetizaram um composto com fase 1T-2H MoS2 e MXene. Com a redução do gás amônia, obtiveram-se materiais com diferentes graus de defeitos de enxofre e caracterizaram-se suas estruturas. Usando a análise do teste EPR, verificou-se que materiais com diferentes tempos de tratamento de amônia continham uma certa quantidade de defeitos de enxofre, correspondendo a um pico de absorção com valor de ag de 2,0. Além disso, à medida que o tempo de tratamento com amônia se prolongou, o pico do defeito de enxofre tornou-se gradualmente mais forte e mais amplo, o que provou que os defeitos no material aumentaram gradativamente com o tratamento do gás amônia. A presença de um grande número de vacâncias de enxofre faz com que o material tenha uma carga positiva localmente, aumentando assim a adsorção de ânions polissulfeto e alcançando uma inibição eficiente de polissulfeto.

【resumo】

Nos últimos anos, a pesquisa sobre defeitos de defeitos em materiais tornou-se um tema muito quente. No entanto, a maioria das pesquisas ainda está no estágio de compreensão dos defeitos. Por esta razão, como cientista de materiais, devemos conhecer o mundo e mudar o mundo. No processo de pesquisa, devemos não apenas reconhecer o mundo microscópico dos defeitos, mas também melhorar e controlar os defeitos por certos métodos sintéticos ou preparativos. Flores caídas não são coisas sem coração, em Chunni mais quadrilátero. Os defeitos que parecem reduzir o desempenho do material não só não têm impacto negativo no material em si após o projeto direcional, como proporcionam aos pesquisadores a possibilidade de otimizar o material a partir do nível atômico, para que o material do eletrodo tenha melhor desempenho como um todo. Amplie sua ampla aplicação em armazenamento de energia e outras nanociências e engenharia de materiais.