XPS分析及其在水溶性纤维素醚合成中的应用

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：X射线光电子能谱早期称作化学分析电子能谱，是目前常用的表面分析技术之一，主要用于成分和化学态的分析。利用X射线光电子能谱可以进行除氢以外的全部元素的定性、定量、化学状态分析以及元素浓度纵向深度分析。选择SNF进行刻蚀是由于它在水泥颗粒表面的吸附层厚度范围大致确定，为0.5～1nm，远低于10nm，因此可采用角分辨XPS的方法确定吸附层厚度，然后采用Ar离子刻蚀，以标定仪器的刻蚀速率。

仪器：Thermo ESCALAB 250型多功能X射线光电子能谱仪（thermo electron corporation,U.K.），由激发源（X射线源是Al的特征Kα射线，能量为1486.6eV）、样品分析室、能量分析器、电子检测器、记录控制系统和真空系统等组成。

刻蚀条件：Ar离子能量：2.0kV；束流：1.0μA。XPS条件：高压：12kV；发射电流：16mA；FAT高分辨。分析室本底真空度：7×10-7Pa。

制样方法：将浓度为10mg/L的减水剂溶液10mL与5g水泥搅拌15min左右，静置1h，使水泥对减水剂达到吸附平衡，离心分离，用无水酒精终止水化，于50℃烘至绝干，压成粉状，用贴有双面胶的样品台黏附少量粉状水泥，放入仪器样品室内，抽真空到规定真空度，在N2保护下测定。

X射线光电子能谱早期称作化学分析电子能谱（electron spectroscopy for chemical analysis,ESCA），是目前常用的表面分析技术之一，主要用于成分和化学态的分析。利用X射线光电子能谱可以进行除氢以外的全部元素的定性、定量、化学状态分析以及元素浓度纵向深度分析。

图2.6　XPS角分辨测试原理示意图

I0—光电子初始强度；Ib—光电子逸出强度；N—试样法线方向；b—光电子法线方向逸出深度，b=3λ（Ek）cosθ

（1）XPS角分辨法原理

设初始光电子的强度为I0，在固体中经过db距离，强度损失了dI，于是有：

dI=-I0dbλ（Ek）

（2.11）(https://www.chuimin.cn)

λ（Ek）是一个常数，与电子动能Ek有关，称为光电子非弹性散射自由程或电子逸出深度，如果b代表垂直于固体表面并指向固体外部的方向是“平均逸出深度”，对式（2.11）积分并代入边界条件（b=0，I=I0），即可以得到光电子垂直于固体表面出射时，经历厚度为b之后的强度：

Ib=I0exp[-b/λ（Ek）]

（2.12）

如果光电子是沿着与固体表面法线呈θ角并指向固体外部的方向输运时，公式变为：

Ib=I0exp[-b/λ（Ek）cosθ]

（2.13）

一般而言，λ（Ek）与自由能之间有如下关系：λ（Ek）=AnE-2+Bn（Ek）1/2对有机分子各常数取值为An=49，Bn=0.11。通过对不同角度XPS谱图积分可得不同角度的Ib，而I0与厚度b不变，两式相除，即可得到吸附层厚度b。

（2）刻蚀测试原理

在一定深度范围内变角XPS分析是可行的，但是如果吸附层厚度太大，变角XPS进行深度分析得到的结果偏差较大。因此本试验采用吸附层较薄的SNF减水剂进行变角XPS测试，然后对吸附SNF的水泥试样利用Ar离子刻蚀的方法进行深度剖析，以此校正实验仪器在相同的实验条件下，Ar离子在吸附层的刻蚀速率。在此基础上，通过刻蚀的方法研究其他几种减水剂的吸附层厚度。选择SNF进行刻蚀是由于它在水泥颗粒表面的吸附层厚度范围大致确定，为0.5～1nm，远低于10nm，因此可采用角分辨XPS的方法确定吸附层厚度，然后采用Ar离子刻蚀，以标定仪器的刻蚀速率。本文合成的减水剂与SNF减水剂分子结构方面差异较大，吸附层厚度也可能差别较大，可能不适合采用变角XPS测试方法来确定其厚度，所以采用Ar离子刻蚀的方法确定吸附层厚度。吸附几种不同减水剂水泥水化试样刻蚀时，当C1s电子强度达到与未掺加减水剂水泥样相当的程度时，判定为刻蚀完毕，记录刻蚀时间，计算吸附层厚度。

XPS分析及其在水溶性纤维素醚合成中的应用

相关推荐