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1、石 油 化 工2001年第30卷第4期PETROCHEMICALTECHNOLOGY·325·讲 座固体催化剂的研究方法第九章 表面分析方法(上)黄 惠 忠(北京大学化学与分子工程学院,北京100871) 为了透彻了解催化反应本质,必须对催化体系(包括催原子等)入射到样品表面,在两者相互作用时,从样品表面发化剂、反应物和生成物)在反应前、反应过程中和反应后的各射及散射电子、离子、中性粒子(原子或分子)与光子等。检参与物质所发生的化学和物理变化进行研究,尤其对表面或测这些粒子(电子、离子、光子、
2、中性粒子等)的能量、荷质比、界面上发生的各种变化如表面组成、表面结构、表面电子态、粒子数强度(计数/秒)等,就可以得到样品表面信息。表面形貌等的研究当属首要。由于涉及到微观粒子的运动,同时为了防止样品表面表面组成包括表面元素组成、化学价态及其在表层的分被周围气氛沾污,应用于表面分析技术的仪器必须具有高-4-7布等,后者涉及元素在表面的横向及纵向(深度)分布;表面真空(≤10Pa),有时还必须有超高真空(<10Pa)。结构包括表面原(分)子排列等;表面电子态包括表面能级性在表面分析中,常把分析区域的横向
3、线度小于100μm量级质、表面态密度分布、表面电荷密度分布及能量分布等;表面时,称为微区分析。把物体与真空或气体的界面称为表面,形貌指“宏观”外形,当分析的分辨率达到原子级时,可观察通常研究的是固体表面。表面有时指表面的单原子层,有到原子排列,这时表面形貌分析和表面结构分析之间就没有时指表面的顶部几个原子层。不同表面分析技术的检测明确的分界。(或称取样)深度不同。本章所涉及的表面分析技术特点列表面分析技术的特点是用一个探束(电子、离子、光子或于表1。表1 用于固体催化剂的不同表面分析技术的特点分析探束
4、检测信息深检测限/%横向分辨检测元素损伤化学信息技术粒子粒子度/nm(单层)力/μm范围程度XPShνe2～5011以上3～103Li以上组成,电子态弱UPShνe1～2011103Li以上价带,电子态弱AESee1～301110-2～10Li以上组成中等EELSee1～2011102Li以上电子态中等LEISSII013～1011102Li以上组成,结构中等SIMSII013～110-5-2以下10～1全部(含H)组成固有 注:EELS为电子能量损失谱;LEISS为低能离子散射谱。hν为光子;e为
5、电子;I为离子。 由于每种技术各具优点和不足,所以常采用不同技术联系,测定了周期表中各元素原子不同轨道的电子结合能等。合的方法,如X射线光电子能谱(XPS)、紫外光电子能谱由于K.Siegbahn对光电子能谱仪技术及谱学理论的重大贡(UPS)、俄歇电子能谱(AES)或二次(或次级)离子质谱献,于1981年荣获诺贝尔物理奖。(SIMS)等组合,以得到互相补充完善的信息,得到对表面全111 基本原理面清晰的了解。具有足够能量的入射光子(hν)同样品相互作用时,光子1X射线光电子能谱[作者简介]黄惠忠(1
6、940-),男,上海市人,早在19世纪末发现的光电发射现象构成了光电子能谱大学,教授级高级工程师。主要研究:表面分(X2rayPhotoelectronSpectroscopy,XPS或ElectronSpec2析新方法、新技术和材料表面组成、结构与材troscopyforChemicalAnalysis,ESCA)的基础。将此物理效应料性质之间的关系。与他人合作或个人在国发展成现在的XPS,是在20世纪60年代末。这应归功于瑞内外发表文章70篇,如《X-射线与紫外光典Uppsala大学K.Siegb
7、ahn教授及其同事们的系统研究。电子能谱》《表面分析仪器和技术进展》、,在解决了电子能量分析技术等问题后,他们首先发现原子内《ARXPS对SAMs厚度和官能团位置的研壳层电子结合能位移现象,并成功地应用于许多实际化学体究》等。电话010-62751491。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.石 油 化 工·326·PETROCHEMICALTECHNOLOGY2001年第30卷把它的全部能量转移给原子、分子
8、或固体的某一束缚电子,的相关能有所变化,事实上还应考虑到相对论效应。由于在使之电离。此时光子的一部分能量用来克服轨道电子结合常用的XPS中,光电子能量≤1keV,所以相对论效应可忽-能(EB),余下的能量便成为发射光电子(e)所具有的动能略不计。这样,正确的结合能EB应表示如下:(EK),这就是光电效应。可表示为:Ai+hν=AF+EK(3)+3-A+hν→A+e(1)所以EB=AF-Ai=hν-EK+3式中A为光电离前的原子、分子或固体;A为光致电式中
