X射線吸收精細結構（X-ray Absorption Fine Structure,XAFS）技術是研究復雜組分體系中特定元素近鄰配位結構的重要手段之一，廣泛應用于能源材料、化學、物理學等領域。該技術具有元素分辨、無損探測等優點，其原理是通過分析X射線被物質吸收前后的信號變化來解析材料中特定元素的結構，可精確地測定固、液、氣等不同形態物質中配位原子的種類、配位數、鍵長等定量的局域結構信息。由于其出色的元素分辨能力，該技術尤其適用于復雜體系中元素的近鄰局域結構、價態等的分析。目前XAFS技術是國際上研究元素局域結構和價態等最先進的實驗手段之一。

中國科學院上海應用物理研究所團隊基于近20年大科學裝置X射線譜學研究經驗，搭建了集研發、銷售、測試、分析為一體的SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀研發平臺，旨在為用戶提供譜學研究的一站式服務，滿足用戶對XAFS技術應用的需求。目前平臺已完成十余項國家、省部級項目研發，擁有專利二十余項。利用平臺核心技術，研發團隊已經推出了臺式X射線吸收譜儀SuperXAFS系列產品，該系列憑借高質量的X射線，極佳的能量分辨率以及超精密的聯動掃描系統，為用戶提供了媲美同步輻射XAFS的實驗數據。

中能X射線吸收譜儀SuperXAFS-T2000是目前國內唯一中能臺式XAFS譜儀供應商，產品入選了中國科學院條件保障與財務局組織編錄的2022年度《中國科學院自主研制科學儀器》產品名錄。該譜儀可以覆蓋的能量范圍低至2keV（國際唯一），可以滿足特定元素如磷、鉀、鈣以及4d金屬L邊和錒系元素M邊的測試，為環境、核能、材料等領域的用戶提供測試能力。

圖1. 中能X射線譜儀SuperXAFS-T2000

硬X射線吸收譜儀SuperXAFS-H3000除了擁有高至20keV的寬能譜范圍，極低的探測濃度閾值（0.5%濃度），還配備了X射線發射譜（XES）模式，實現了在一臺儀器上的多功能檢測方式。除此之外，該譜儀還為了使用戶操作更加簡便，配備了快速切換測量、多樣品自動采集、遠程實時監控等功能，以及可定制的原位環境，為用戶研究提供高質量的測試數據和便捷的測試流程。

圖2. 臺式硬X射線吸收譜儀SuperXAFS-H3000

此外，團隊共享測試平臺還配置了easyXAFS 300+型號吸收譜儀和Sigray QuantumLeap V210型號發射譜儀，為有需要的用戶提供測試以及數據分析等服務。

應用案例

Nat. Commun.?:原位形成π-共軛的二維鈾有機骨架進行超選擇性鈾分離

核能，由于其高能量密度和低碳污染，因此被視為一種有效的替代能源。然而，核能的可持續發展仍然受到鈾短缺和供應鏈不足的嚴重制約。因此，開展從舊的或新的來源中分離鈾的研究具有重要意義。東華理工大學羅峰團隊提出了利用原位形成π-共軛的有機配體與鈾結合為二維鈾有機骨架結構來實現鈾的分離。研究中對五種有機配體進行了篩選，并利用SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀獲得了高質量的鈾L邊EXAFS數據，通過精細的譜圖擬合對鈾的配位結構進行了定量解析，發現1,3,5-三甲?；g苯三酚（H₃TFP）是構建鈾-有機骨架最佳配體的原因是鈾可以和H₃TFP形成穩定的平面配位結構，其中鍵長較短的是UO₂的兩個U=O鍵，而鍵長較長的是鈾和H₃TFP形成的六個平面U-O鍵。這種選擇性的穩定配位結構使得H₃TFP可以對溶液中的鈾實現100%的吸附。

圖3. UOF-TFP的EXAFS表征結果

Angew. Chem . Int. Ed.?: 溴輔助乙烯氧化助力CO₂電催化合成三乙醇胺

電化學二氧化碳還原反應具有將大氣中過量二氧化碳轉化為甲酸鹽、乙烯和乙醇等增值產品的潛力。然而，迄今為止，由于缺少能夠有效活化二氧化碳和持續增長碳鏈的最佳電催化劑，反應產物的選擇性受到限制，其中產物含碳數最多至四。通過電化學串聯反應實現二氧化碳至多碳產物的合成具有重大意義。復旦大學鄭耿峰教授團隊利用SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀，通過高質量的EXAFS譜圖測試研究了一類金屬酞菁（MPc）材料的局域配位結構。研究中發現MPc（M=Fe、Co、Ni）材料呈現出[MN4]的配位結構，這種結構使得NiPc材料在含溴電解液中將乙烯氧化為2-溴乙醇，而在反應的對電極則由FePc將亞硝酸根離子還原為氨，進而和2-溴乙醇反應生成三乙醇胺。而將該反應與CO₂還原為乙烯的反應相結合就可以實現將CO₂還原為六碳化合物。

圖4. MPc（M=Fe、Co、Ni）的EXAFS表征結果（虛線為測試結果，紅線為擬合結果）

Angew. Chem . Int. Ed.?: 一步法熔鹽電刻蝕制備官能團可調控的二維MXene材料

MXene材料憑借其獨特的二維層狀結構、高導電性和親水表面，近年來在能源存儲和轉換領域廣受關注。目前二維MXene常用的制備方法為氫氟酸或氟化物-鹽酸溶液刻蝕法，常引入影響材料導電性的–F官能團；近年來報道的路易斯熔鹽刻蝕法不可避免地在MXene中殘留有金屬雜志，在后續應用或表面改性過程中必須采用氧化性酸去除。中國科學院上海應用物理研究所王建強研究員團隊首創了熔鹽電刻蝕方法（MS-E-etching）制備二維層狀材料Ti₃C₂Tx（T=O、S），并在SuperXAFS臺式X射線吸收譜儀的幫助下，通過精細的Ti K邊XANES測試，對熔鹽電刻蝕的反應機理進行了研究。測試結果顯示Ti₃C₂Tx的峰位相比Ti₃AlC₂明顯向高能方向偏移，證明了反應過程中Ti被氧化；而從譜圖結構上分析可以看出，兩個樣品的峰的近邊特征相近，而和Ti foil以及TiO₂相差很大，因此證明在熔鹽電刻蝕前后Ti的局域結構保持一致。從譜圖結果可以推斷出熔鹽電刻蝕的機理是在Ti₃AlC₂相氧化過程中，由于Ti-Al鍵比Ti-C鍵弱，Al原子選擇性地與熔鹽中的Cl-結合形成AlCl₃。450℃時AlCl₃的揮發為Al原子向外擴散提供了動力。繼續在該體系中添加Li₂O/Li₂S，利用高溫下官能團的替代反應就獲得了含–O/–S等多種官能團的MXene。其中–O官能團修飾的Ti₃C₂在1M H₂SO4溶液中表現出優異的電化學性能。

圖5. 熔鹽電刻蝕前后的XANES表征結果

參考文獻

[1]??Nat. Commun.?2024,15,453

[2]??Angew. Chem . Int. Ed. 2023,e202212733

[3]??Angew. Chem . Int. Ed. 2021,e202110640

SuperXAFS系列譜儀的優勢：

[1]??超寬的能量測試范圍：能量范圍覆蓋2keV-20keV，可以滿足3d元素到錒系元素的測試需求；

[2]??超高的靈敏度：檢測濃度低至0.5%；

[3]??多功能測試：SuperXAFS譜儀可配置熒光模式/XES模式，利用一臺譜儀實現多種測試功能；

[4]??細致的用戶定制服務：可根據用戶需求進行針對性定制，包括不限于原位樣品環境、多樣品自動切換功能、不同的X射線源選擇等；

[5]??高質量樣品測試及數據分析服務：研究團隊利用逾20年X射線吸收譜測試經驗，為用戶提供高質量的樣品測試服務以及數據分析。