聚焦科研熱點(diǎn)，透視特色技術(shù)丨合金儲(chǔ)氫研究檢測島津特色技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2024-09-25 閱讀次數(shù)：427次
氫能在汽車動(dòng)力、電子、食品、冶金、航空航天等方面有著廣泛的應(yīng)用，但是由于氫氣與其他物質(zhì)在相同體積下的質(zhì)量相比過輕，并且易燃、易爆，所以儲(chǔ)存起來十分困難，限制了其開發(fā)利用的發(fā)展。固態(tài)儲(chǔ)氫是安全高密度儲(chǔ)氫的重要形式，合金氫化物儲(chǔ)氫，是固體儲(chǔ)氫技術(shù)中的一種。
在提高合金儲(chǔ)氫熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的研究中，研究檢測會(huì)涉及X射線光電子能譜儀（XPS）、電子探針顯微分析儀（EPMA）、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）、X射線衍射儀（XRD）、激光衍射式粒度分布測定裝置（SALD）、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）等，島津公司均可提供相關(guān)儀器及應(yīng)用方案。其中島津公司X射線光電子能譜儀（XPS AXIS SUPRA+ ）、電子探針顯微分析儀（EPMA-8050G/1720H）、激光衍射式粒度分布測定裝置（SALD-2300）在合金儲(chǔ)氫研究中可提供有針對(duì)性的、特色測試表征方案。
特色技術(shù)一：島津電子探針EPMA
11種全聚焦型晶體設(shè)計(jì)，稀土元素、輕質(zhì)元素含量測定更準(zhǔn)確
典型應(yīng)用：島津電子探針EPMA在鎂鋅稀土合金測試中的應(yīng)用
鎂基合金是儲(chǔ)氫研究中的一個(gè)熱點(diǎn)方向，稀土改性亦是合金儲(chǔ)氫研究方向之一。通常加入稀土元素，可提高合金儲(chǔ)氫能力及合金穩(wěn)定性。電子探針作為樣品顯微觀察和微區(qū)分析有效結(jié)合起來的定量分析工具，對(duì)鎂合金進(jìn)行微米級(jí)別的無損分析，有助于了解合金在微區(qū)尺度的成分信息，同時(shí)對(duì)稀土元素進(jìn)行準(zhǔn)確測定。采用EPMA-1720HT對(duì)鎂鋅合金進(jìn)行測試。
圖1 電子探針顯微分析儀EPMA-1720HT
圖2 Mg-Zn 稀土合金元素分布位置和形態(tài)
圖3 細(xì)節(jié)放大后各元素分布特征（圖上的數(shù)字為定量測試位置）
從面分布結(jié)果可以看出，試樣合金中的稀土幾乎全部分布于晶界，但不連續(xù)，平均晶粒尺寸直徑為24.5μm，晶界相寬度約2.4μm。富集于晶粒表面及晶界位置的稀土活性元素可以填充晶界處的晶界空位，改善晶界附近的組織形態(tài)，提高高溫抗蠕變性能。
表1 鎂鋅系稀土合金Mg-Zn-RE不同位置定量測試（Wt%）
EPMA 作為微區(qū)分析儀器，相對(duì)于SEM+EDS，在靈敏度和分辨率兩個(gè)重要指標(biāo)上都高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，而其具有原位分析的特點(diǎn)，使其在鎂合金基礎(chǔ)材料研究、鎂合金產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、失效品分析等各領(lǐng)域中可發(fā)揮重要的作用。
特色技術(shù)二：島津X射線光電子能譜儀（XPS AXIS SUPRA+ ）的荷電中和技術(shù)
對(duì)于凹凸不平的樣品，可實(shí)現(xiàn)直接測定
典型應(yīng)用：光電子能譜技術(shù)表征鎂合金表面保護(hù)膜
儲(chǔ)氫合金使用X射線光電子能譜儀進(jìn)行合金的元素以及化學(xué)狀態(tài)分析，可以分析獲得合金的元素組成及相對(duì)含量，以及化學(xué)狀態(tài)等方面的信息。
XPS技術(shù)作為一種表面分析手段，常規(guī)分析深度10nm以內(nèi)，因此普遍用于金屬表面納米厚度的鈍化層的表征。采用島津Axis Supra+儀器對(duì)兩種鎂合金材料表面進(jìn)行測試，輔助分析表面保護(hù)膜組成。
圖4 全自動(dòng)、多技術(shù)成像型X射線光電子能譜儀 AXIS SUPRA+
1、 樣品信息分析條件
激發(fā)源：單色Al 靶（Al Kα，1486.6 eV）
X射線高壓：15 kV
發(fā)射電流：全譜10 mA，元素精細(xì)譜15 mA
停留時(shí)間（Dwell time）：200 ms
通能：全譜160 eV，精細(xì)譜40 eV
分析區(qū)域：slot 模式
掃描速度：全譜1 eV，窄譜0.1 eV
2、 樣品及處理
合金樣品采用化學(xué)轉(zhuǎn)化處理法得到表層保護(hù)膜，樣品性狀：片狀固體。
3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5 鎂合金全譜掃描結(jié)果
對(duì)合金進(jìn)行全譜掃描，結(jié)果見圖5，可知表面主要存在元素為C、O、Mg、Al、Si、F、V 等元素，其他未標(biāo)注譜峰為非特征軌道或者俄歇峰，未發(fā)現(xiàn)其他明顯的合金摻雜金屬元素特征峰，是由于XPS 技術(shù)主要檢測材料最表層的元素構(gòu)成，C 元素主要來源于表面污染。結(jié)合全譜結(jié)果可初步判斷該鎂合金表面采用的為含釩物種保護(hù)膜。
圖6 鎂合金精細(xì)譜掃描結(jié)果
進(jìn)一步對(duì)該樣品采集精細(xì)譜數(shù)據(jù)分析，見圖6，分別對(duì)各元素進(jìn)行化學(xué)態(tài)分析，C 元素主要以C-C、C-O、 C=O、CO32- 的化學(xué)態(tài)形式存在，其結(jié)合能分別是284.8 eV、286.2 eV、287.2 eV 和289.3 eV；O 元素主要以釩酸鹽、CO32- 形式存在，其結(jié)合能位置在531.3 eV 和532.8 eV；V 元素主要以釩酸鹽的化學(xué)態(tài)形式存在，V 2p3/2 結(jié)合能位置分別在517.0 eV；Mg 元素主要以金屬態(tài)Mg（1303.4 eV）、表層自然氧化物Mg Oxide（1304.6 eV）的化學(xué)態(tài)形式存在；Al 元素主要以氧化鋁（74.1 eV）的化學(xué)態(tài)形式存在；Si 元素主要以自然氧化態(tài)（101.8 eV）的形式存在；F 元素主要以金屬氟化物（684.7 eV）的化學(xué)態(tài)形式存在。推測其中F 元素為處理后離子殘留，Al、Si 為合金中摻雜，表面保護(hù)膜成分主要為釩酸鹽物種。
合金樣品往往具有一定厚度，采用島津AXIS Supra+ 雙高度樣品條可以直接應(yīng)對(duì)，無需對(duì)樣品進(jìn)行前處理。采用島津Axis Supra+儀器成功完成改性處理后的鎂合金材料的表征，通過XPS 的結(jié)果給出了材料表面各元素的化學(xué)態(tài)等信息，證明了表面保護(hù)膜層的元素及結(jié)構(gòu)信息。
特色技術(shù)三：島津廣域、高靈敏度粒度分析系統(tǒng)SALD-2300
可測至0.1ppm微量粒子，同時(shí)對(duì)深顏色甚至黑色樣品亦可輕松檢測
典型應(yīng)用：SALD-2300測定四氧化三鈷粉末樣品的粒徑分布
顆粒的大小影響催化劑對(duì)于儲(chǔ)氫合金的催化效果，粒度分布測定儀可以計(jì)算樣品分散狀態(tài)下的粒徑大小和分布區(qū)間。使用島津激光粒度儀SALD-2300和MS23型循環(huán)流通池，以純水為分散介質(zhì)，在超聲和攪拌條件下測試四氧化三鈷粉末的粒徑大小和分布。
圖7 島津激光衍射式粒度分布測定裝置SALD-2300
1、 分析條件
本次測試體條件如下表2所示
表2 SALD-2300測試四氧化三鈷粉末條件
2、 樣品及處理
測試樣品鈷材料A和B，取適量粉末用純水?dāng)嚢杈鶆?，?jīng)外部超聲分散后，滴加至循環(huán)流通池中進(jìn)行測試。
3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖8 四氧化三鈷粉末A粒徑分布圖
圖9 四氧化三鈷粉末B粒徑分布圖
圖10 粒徑分布對(duì)比圖
從圖8、9、10可看出，四氧化三鈷粉末A和B粒徑分布均呈正態(tài)分布，但存在明顯差異。
四氧化三鈷粉末的粒度測試結(jié)果見下表3所示。
表3 粒度測試結(jié)果
島津激光粒度儀SALD-2300循環(huán)流通池可實(shí)現(xiàn)純水自動(dòng)添加、超聲和攪拌、自動(dòng)清洗等功能，軟件特有的光強(qiáng)分布再計(jì)算(LDR)功能，可自動(dòng)計(jì)算物質(zhì)的最佳折射率，獲得可靠的粒徑分布數(shù)據(jù)。本應(yīng)用使用島津激光粒度儀 SALD-2300 濕法測試四氧化三鈷粉末的粒徑大小和分布，方法簡單易行，測試速度快，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且重復(fù)性好，滿足四氧化三鈷粉末粒度的測試要求。
本文內(nèi)容非商業(yè)廣告，僅供專業(yè)人士參考。