XRD到底可以做些什麼？

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前言：

物有本末，事有終始；知所先後，則近道矣。

作為結構研究的一種重要方法，XRD在催化材料和其他材料的研究中都具有非常重要的應用。本著溫故知新的態度，研之成理刻意抽出幾期來簡單地梳理下XRD的一些基礎知識，希望能夠幫助大家更加全面地了解這一表徵手段。（註：本次分享只討論多晶衍射，單晶衍射後期會出獨立的專題，敬請期待）

與物理吸脫附實驗不同，本次分享我們從實用開始，原理的分析放到後面，今天的內容很簡單，簡單聊聊XRD到底可以做什麼？

1. XRD研究的是材料的體相還是表面相？

XRD採用單色X射線為衍射源，一般可以穿透固體，從而驗證其內部結構，因此XRD給出的是材料的體相結構信息。

2. XRD是定性分析手段還是定量分析手段？

XRD多以定性物相分析為主，但也可以進行定量分析。通過待測樣品的X 射線衍射譜圖與標準物質的X 射線衍射譜圖進行對比,可以定性分析樣品的物相組成;通過對樣品衍射強度數據的分析計算,可以完成樣品物相組成的定量分析.

3. XRD進行定性分析時可以得到哪些有用信息？

A. 根據XRD譜圖信息，可以確定樣品是無定型還是晶體：無定型樣品為大包峰，沒有精細譜峰結構；晶體則有豐富的譜線特徵。把樣品中最強峰的強度和標準物質的進行對比，可以定性知道樣品的結晶度。

B. 通過與標準譜圖進行對比，可以知道所測樣品由哪些物相組成（XRD最主要的用途之一）。基本原理：晶態物質組成元素或基團如果不相同或其結構有差異,它們的衍射譜圖在衍射峰數目、角度位置、相對強度以及衍射峰形上會顯現出差異（基於布拉格方程，後面會詳細解析）。

C. 通過實測樣品和標準譜圖2θ值的差別，可以定性分析晶胞是否膨脹或者收縮的問題，因為XRD的峰位置可以確定晶胞的大小和形狀。

4. XRD可以用於定量分析哪些內容？

A. 樣品的平均晶粒尺寸，基本原理：當 X 射線入射到小晶體時，其衍射線條將變得彌散而寬化，晶體的晶粒越小， x 射線衍射譜帶的寬化程度就越大。因此晶粒尺寸與XRD譜圖半峰寬之間存在一定的關係, 即謝樂公式（Scherrerequation），下期會詳細分析其原理與注意事項。

對於對於負載型催化劑表面的金屬顆粒，其顆粒大小 d（單位 nm）與其分散度 D 之間可以簡單地換算：d ≈ 0.9/D (註：0.9這個常數是經驗值) 。

B. 樣品的相對結晶度：一般將最強衍射峰積分所得的面積（As）當作計算結晶度的指標，與標準物質積分所得面積(Ag)進行比較，結晶度=As/Ag*100%。

C. 物相含量的定量分析：主要有K值法也叫RIR方法和Rietveld全譜精修定量等。其中，RIR法的基本原理為1:1混合的某物質與剛玉(Al2O3),其最強衍射峰的積分強度會有一個比值，該比值為RIR值。通過將該物質的積分強度/RIR 值總是可以換算成Al2O3的積分強度。對於一個混合物而言，物質中所有組分都按這種方法進行換算，最後可以通過歸一法得到某一特定組分的百分含量。

D. XRD還可以用於點陣常數的精密計算，殘餘應力計算等（黃繼武老師主編的《多晶材料X射線衍射：實驗原理、方法與應用》）

5. 推薦參考書籍及分析軟體

參考書籍：李樹棠等主編《晶體X衍射學基礎》；黃繼武等主編《多晶材料X射線衍射：實驗原理、方法與應用》；辛勤等主編《現代催化研究方法》等

分析軟體：Jade 5.0或者6.5

6. XRD晶體資料庫

無機晶體結構資料庫（ICSD）：https://icsd.fiz-karlsruhe.de/search/

國際衍射數據中心（ICDD）: http://www.icdd.com/

劍橋晶體數據中心(CCDC): http://www.ccdc.cam.ac.uk/

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