聚焦科研热点，透视特色技术丨合金储氢研究检测岛津特色技术

　　氢能在汽车动力、电子、食品、冶金、航空航天等方面有着广泛的应用，但是由于氢气与其他物质在相同体积下的质量相比过轻，并且易燃、易爆，所以储存起来十分困难，限制了其开发利用的发展。固态储氢是安全高密度储氢的重要形式，合金氢化物储氢，是固体储氢技术中的一种。

　　在提高合金储氢热力学与动力学的研究中，研究检测会涉及X射线光电子能谱仪（XPS）、电子探针显微分析仪（EPMA）、电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）、X射线衍射仪（XRD）、激光衍射式粒度分布测定装置（SALD）、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TGA）等，岛津公司均可提供相关仪器及应用方案。其中岛津公司X射线光电子能谱仪（XPS AXIS SUPRA+ ）、电子探针显微分析仪（EPMA-8050G/1720H）、激光衍射式粒度分布测定装置（SALD-2300）在合金储氢研究中可提供有针对性的、特色测试表征方案。

 

特色技术一：岛津电子探针EPMA 11种全聚焦型晶体设计，稀土元素、轻质元素含量测定更准确

　　

　　典型应用：岛津电子探针EPMA在镁锌稀土合金测试中的应用

　　镁基合金是储氢研究中的一个热点方向，稀土改性亦是合金储氢研究方向之一。通常加入稀土元素，可提高合金储氢能力及合金稳定性。电子探针作为样品显微观察和微区分析有效结合起来的定量分析工具，对镁合金进行微米级别的无损分析，有助于了解合金在微区尺度的成分信息，同时对稀土元素进行准确测定。采用EPMA-1720HT对镁锌合金进行测试。

图1 电子探针显微分析仪EPMA-1720HT

图2  Mg-Zn 稀土合金元素分布位置和形态

　　

图3  细节放大后各元素分布特征（图上的数字为定量测试位置）

　　

　　从面分布结果可以看出，试样合金中的稀土几乎全部分布于晶界，但不连续，平均晶粒尺寸直径为24.5μm，晶界相宽度约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处的晶界空位，改善晶界附近的组织形态，提高高温抗蠕变性能。

表1 镁锌系稀土合金Mg-Zn-RE不同位置定量测试（Wt%）

　　EPMA 作为微区分析仪器，相对于SEM+EDS，在灵敏度和分辨率两个重要指标上都高出一个数量级，而其具有原位分析的特点，使其在镁合金基础材料研究、镁合金产品开发设计、失效品分析等各领域中可发挥重要的作用。

　　

特色技术二：岛津X射线光电子能谱仪（XPS AXIS SUPRA+ ）的荷电中和技术 对于凹凸不平的样品，可实现直接测定

　　

　　典型应用：光电子能谱技术表征镁合金表面保护膜

　　储氢合金使用X射线光电子能谱仪进行合金的元素以及化学状态分析，可以分析获得合金的元素组成及相对含量，以及化学状态等方面的信息。

　　XPS技术作为一种表面分析手段，常规分析深度10nm以内，因此普遍用于金属表面纳米厚度的钝化层的表征。采用岛津Axis Supra⁺仪器对两种镁合金材料表面进行测试，辅助分析表面保护膜组成。

　

图4 全自动、多技术成像型X射线光电子能谱仪 AXIS SUPRA⁺

　　

　　1、 样品信息分析条件

• 　　激发源：单色Al 靶（Al Kα，1486.6 eV）

  　　发射电流：全谱10 mA，元素精细谱15 mA

  　　通能：全谱160 eV，精细谱40 eV

  　　扫描速度：全谱1 eV，窄谱0.1 eV

• X射线高压：15 kV

  停留时间（Dwell time）：200 ms

  分析区域：slot 模式

　　

　　2、 样品及处理

　　合金样品采用化学转化处理法得到表层保护膜，样品性状：片状固体。

　　3、 实验结果

图5 镁合金全谱扫描结果

　　

　　对合金进行全谱扫描，结果见图5，可知表面主要存在元素为C、O、Mg、Al、Si、F、V 等元素，其他未标注谱峰为非特征轨道或者俄歇峰，未发现其他明显的合金掺杂金属元素特征峰，是由于XPS 技术主要检测材料最表层的元素构成，C 元素主要来源于表面污染。结合全谱结果可初步判断该镁合金表面采用的为含钒物种保护膜。

图6 镁合金精细谱扫描结果

　　

　　进一步对该样品采集精细谱数据分析，见图6，分别对各元素进行化学态分析，C 元素主要以C-C、C-O、 C=O、CO32- 的化学态形式存在，其结合能分别是284.8 eV、286.2 eV、287.2 eV 和289.3 eV；O 元素主要以钒酸盐、CO32- 形式存在，其结合能位置在531.3 eV 和532.8 eV；V 元素主要以钒酸盐的化学态形式存在，V 2p3/2 结合能位置分别在517.0 eV；Mg 元素主要以金属态Mg（1303.4 eV）、表层自然氧化物Mg Oxide（1304.6 eV）的化学态形式存在；Al 元素主要以氧化铝（74.1 eV）的化学态形式存在；Si 元素主要以自然氧化态（101.8 eV）的形式存在；F 元素主要以金属氟化物（684.7 eV）的化学态形式存在。推测其中F 元素为处理后离子残留，Al、Si 为合金中掺杂，表面保护膜成分主要为钒酸盐物种。

　　合金样品往往具有一定厚度，采用岛津AXIS Supra+ 双高度样品条可以直接应对，无需对样品进行前处理。采用岛津Axis Supra+仪器成功完成改性处理后的镁合金材料的表征，通过XPS 的结果给出了材料表面各元素的化学态等信息，证明了表面保护膜层的元素及结构信息。

 

特色技术三：岛津广域、高灵敏度粒度分析系统SALD-2300 可测至0.1ppm微量粒子，同时对深颜色甚至黑色样品亦可轻松检测

　　

　　典型应用：SALD-2300测定四氧化三钴粉末样品的粒径分布

　　颗粒的大小影响催化剂对于储氢合金的催化效果，粒度分布测定仪可以计算样品分散状态下的粒径大小和分布区间。使用岛津激光粒度仪SALD-2300和MS23型循环流通池，以纯水为分散介质，在超声和搅拌条件下测试四氧化三钴粉末的粒径大小和分布。

图7 岛津激光衍射式粒度分布测定装置SALD-2300

　　

　　1、 分析条件

　　本次测试体条件如下表2所示

表2  SALD-2300测试四氧化三钴粉末条件

　　2、 样品及处理

　　测试样品钴材料A和B，取适量粉末用纯水搅拌均匀，经外部超声分散后，滴加至循环流通池中进行测试。

　　3、 实验结果

图8 四氧化三钴粉末A粒径分布图

　　

图9 四氧化三钴粉末B粒径分布图

　　

图10 粒径分布对比图

　　

　　从图8、9、10可看出，四氧化三钴粉末A和B粒径分布均呈正态分布，但存在明显差异。

　　四氧化三钴粉末的粒度测试结果见下表3所示。

表3 粒度测试结果

　　岛津激光粒度仪SALD-2300循环流通池可实现纯水自动添加、超声和搅拌、自动清洗等功能，软件特有的光强分布再计算(LDR)功能，可自动计算物质的最佳折射率，获得可靠的粒径分布数据。本应用使用岛津激光粒度仪 SALD-2300 湿法测试四氧化三钴粉末的粒径大小和分布，方法简单易行，测试速度快，数据稳定且重复性好，满足四氧化三钴粉末粒度的测试要求。