近些年來，黑磷材料因其在電子器件、能源存儲及催化轉化方面的優異性能，而被廣泛應用和研究。作為鋰離子電池負材料，黑磷擁有高達2592 mahg?1的理論容量。然而在實際應用中，黑磷材料在電化學反應后體積變化程度達到300%，會帶來電池安全等諸多問題。
研究人員發現利用高能球磨法，將納米化的黑磷材料與碳材料結合，可以有效的減小充放電過程中負材料的膨脹問題。為了更好設計黑磷負結構，對于充分了解充放電過程中黑磷與li+的相互作用機制非常重要。之前的研究表明：放電過程中，黑磷會與li形成lip，li2p，終形成li3p。而充電過程中會由li3p慢慢變成黑磷[1]。然而理論計算表明，在充放電過程中還會形成其他li化合物，比如lip7，li3p7和li4p3等，以上的實驗和理論研究存在著明顯的差異性[2]。為了更加深入的解析充放電過程，有必要利用更加深入和高的表征手段來研究黑磷局域結構的變化和演變?；诖?，加拿大西安大略大學的xueliang sun教授及其合作者結合了原位/非原位xrd，非原位xas和xes等技術，揭示了其中的結構演變：li3p7，lip，li3p[3]。值得一提的是，研究人員結合美國easyxafs公司的臺式x射線發射譜儀（xes）的相關結構設計，并和該公司技術人員合作實現了惰性氣體保護下的xes表征，相關成果發表在國際著名期刊advanced materials, 2021, 33(35): 2101259.
圖1. bp/g/cnts樣品的放電(a)和充電(b) p kα ex-situ xes譜圖
先，該課題組通過球磨法制備得到了黑磷、石墨烯和單筆碳納米管的復合材料（bp/g/cnts）。為了驗證在充放電過程中，黑磷的結構變化，研究人員結合了原位/非原位xrd、非原位xas和xes等技術手段。其中ex-situ xes如圖1所示，其中入射x射線的能量為2148.7 ev，高于還原態p的激發閾值，而低于高氧化態p的激發閾值，如p(iii)，p(iv)和pf6-，這樣可以減少高氧化態p和電解液的相關熒光貢獻。在這個能量區域內，xes譜的分辨率為1ev。p的kα發射譜有兩個峰，kα1和kα2，它們的強度比為2:1，分別來源于2p3/2的2p1/2到1s的退激發。圖中可以看出，在放電過程中，xes的兩個峰向低能方向移動；而充電過程中，兩個峰向高能方向移動。以上xes的變化與xas的變化趨勢一樣，表明了p的電子得失結果。初始的p和c-2.5v后的p的kα1和kα2 在2010.56/2009.80 ev 和 2010.49/2009.75 ev 處很相似，分別顯示出bp納米顆粒在初始循環期間鋰化/脫鋰過程的高度可逆性。xes 結果與來自非原位 xrd 和 xas高度一致，表明在 li+嵌入后 li3p 的形成及電荷的重新分布。該研究中的xes譜的采集主要使用的是美國easyxafs公司的相關產品。
圖2. easyxafs公司的臺式xafs/xes譜儀
實驗室臺式xafs譜儀優勢：
1. 臺式設計，可以在實驗室內隨時滿足日常樣品分析；
2. labview軟件腳本控制，附帶7位自動樣品輪, 可以同時進行多個樣品或樣品參數條件下的測試；
3. 可集成輔助設備，搭配原位池，可實現高壓、氣體氛圍、電化學等條件下的測試（已輔助客戶成功驗證），實現原位表征測試。
4. 臺式xafs/xes譜儀具有xafs和xes兩種工作模式，可快速切換，滿足不同科研試驗需求;
5. 臺式xafs/xes譜儀測得的譜圖效果可以媲美同步輻射數據，如圖3所示，其測得的ni元素的exafs，ce和u元素的l3-edge的xanes譜圖數據與同步輻射光源譜圖效果完全一致；
圖3. （a, b）臺式xafs/xes譜儀與同步輻射光源測得的ni exafs及傅里葉變換后r空間對比譜圖, （c、d）ce和u l3-edge xanes譜圖數據對比圖
6. 多種型號和配置可選，滿足不同科研要求；
7. 操作便捷，維護成本低，安全可靠.
參考文獻：
[1] marino c, debenedetti a, fraisse b, et al. activated-phosphorus as new electrode material for li-ion batteries[j]. electrochemistry communications, 2011, 13(4): 346-349.
[2] sun l q, li m j, sun k, et al. electrochemical activity of black phosphorus as an anode material for lithium-ion batteries[j]. the journal of physical chemistry c, 2012, 116(28): 14772-14779.
[3] li m, li w, hu y, et al. new insights into the high‐performance black phosphorus anode for lithium‐ion batteries[j]. advanced materials, 2021, 33(35): 2101259.
相關產品：
臺式X射線吸收精細結構譜儀（XAFS/XES）
