聚焦科研熱點，透視特色技術丨合金儲氫研究檢測島津特色技術

氫能在汽車動力、電子、食品、冶金、航空航天等方面有著廣泛的應用，但是由于氫氣與其他物質在相同體積下的質量相比過輕，并且易燃、易爆，所以儲存起來十分困難，限制了其開發利用的發展。固態儲氫是安全高密度儲氫的重要形式，合金氫化物儲氫，是固體儲氫技術中的一種。

在提高合金儲氫熱力學與動力學的研究中，研究檢測會涉及X射線光電子能譜儀（XPS）、電子探針顯微分析儀（EPMA）、電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP-OES）、X射線衍射儀（XRD）、激光衍射式粒度分布測定裝置（SALD）、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）等，島津公司均可提供相關儀器及應用方案。其中島津公司X射線光電子能譜儀（XPS AXIS SUPRA⁺ ）、電子探針顯微分析儀（EPMA-8050G/1720H）、激光衍射式粒度分布測定裝置（SALD-2300）在合金儲氫研究中可提供有針對性的、特色測試表征方案。

特色技術一：島津電子探針EPMA

11種全聚焦型晶體設計，稀土元素、輕質元素含量測定更準確

典型應用：島津電子探針EPMA在鎂鋅稀土合金測試中的應用

鎂基合金是儲氫研究中的一個熱點方向，稀土改性亦是合金儲氫研究方向之一。通常加入稀土元素，可提高合金儲氫能力及合金穩定性。電子探針作為樣品顯微觀察和微區分析有效結合起來的定量分析工具，對鎂合金進行微米級別的無損分析，有助于了解合金在微區尺度的成分信息，同時對稀土元素進行準確測定。采用EPMA-1720HT對鎂鋅合金進行測試。

圖1 電子探針顯微分析儀EPMA-1720HT

圖2  Mg-Zn 稀土合金元素分布位置和形態

圖3  細節放大后各元素分布特征（圖上的數字為定量測試位置）

從面分布結果可以看出，試樣合金中的稀土幾乎全部分布于晶界，但不連續，平均晶粒尺寸直徑為24.5μm，晶界相寬度約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處的晶界空位，改善晶界附近的組織形態，提高高溫抗蠕變性能。

表1 鎂鋅系稀土合金Mg-Zn-RE不同位置定量測試（Wt%）

EPMA 作為微區分析儀器，相對于SEM+EDS，在靈敏度和分辨率兩個重要指標上都高出一個數量級，而其具有原位分析的特點，使其在鎂合金基礎材料研究、鎂合金產品開發設計、失效品分析等各領域中可發揮重要的作用。

特色技術二：島津X射線光電子能譜儀（XPS AXIS SUPRA⁺ ）的荷電中和技術

對于凹凸不平的樣品，可實現直接測定

典型應用：光電子能譜技術表征鎂合金表面保護膜

儲氫合金使用X射線光電子能譜儀進行合金的元素以及化學狀態分析，可以分析獲得合金的元素組成及相對含量，以及化學狀態等方面的信息。

XPS技術作為一種表面分析手段，常規分析深度10nm以內，因此普遍用于金屬表面納米厚度的鈍化層的表征。采用島津Axis Supra⁺儀器對兩種鎂合金材料表面進行測試，輔助分析表面保護膜組成。

圖4 全自動、多技術成像型X射線光電子能譜儀 AXIS SUPRA⁺

1、 樣品信息分析條件

激發源：單色Al 靶（Al Kα，1486.6 eV）

X射線高壓：15 kV

發射電流：全譜10 mA，元素精細譜15 mA

停留時間（Dwell time）：200 ms

通能：全譜160 eV，精細譜40 eV

分析區域：slot 模式

掃描速度：全譜1 eV，窄譜0.1 eV

2、 樣品及處理

合金樣品采用化學轉化處理法得到表層保護膜，樣品性狀：片狀固體。

3、 實驗結果

圖5 鎂合金全譜掃描結果

對合金進行全譜掃描，結果見圖5，可知表面主要存在元素為C、O、Mg、Al、Si、F、V 等元素，其他未標注譜峰為非特征軌道或者俄歇峰，未發現其他明顯的合金摻雜金屬元素特征峰，是由于XPS 技術主要檢測材料最表層的元素構成，C 元素主要來源于表面污染。結合全譜結果可初步判斷該鎂合金表面采用的為含釩物種保護膜。

圖6 鎂合金精細譜掃描結果

進一步對該樣品采集精細譜數據分析，見圖6，分別對各元素進行化學態分析，C 元素主要以C-C、C-O、 C=O、CO₃^2- 的化學態形式存在，其結合能分別是284.8 eV、286.2 eV、287.2 eV 和289.3 eV；O 元素主要以釩酸鹽、CO₃^2- 形式存在，其結合能位置在531.3 eV 和532.8 eV；V 元素主要以釩酸鹽的化學態形式存在，V 2p^3/2 結合能位置分別在517.0 eV；Mg 元素主要以金屬態Mg（1303.4 eV）、表層自然氧化物Mg Oxide（1304.6 eV）的化學態形式存在；Al 元素主要以氧化鋁（74.1 eV）的化學態形式存在；Si 元素主要以自然氧化態（101.8 eV）的形式存在；F 元素主要以金屬氟化物（684.7 eV）的化學態形式存在。推測其中F 元素為處理后離子殘留，Al、Si 為合金中摻雜，表面保護膜成分主要為釩酸鹽物種。

合金樣品往往具有一定厚度，采用島津AXIS Supra⁺ 雙高度樣品條可以直接應對，無需對樣品進行前處理。采用島津Axis Supra⁺儀器成功完成改性處理后的鎂合金材料的表征，通過XPS 的結果給出了材料表面各元素的化學態等信息，證明了表面保護膜層的元素及結構信息。

特色技術三：島津廣域、高靈敏度粒度分析系統SALD-2300

可測至0.1ppm微量粒子，同時對深顏色甚至黑色樣品亦可輕松檢測

典型應用：SALD-2300測定四氧化三鈷粉末樣品的粒徑分布

顆粒的大小影響催化劑對于儲氫合金的催化效果，粒度分布測定儀可以計算樣品分散狀態下的粒徑大小和分布區間。使用島津激光粒度儀SALD-2300和MS23型循環流通池，以純水為分散介質，在超聲和攪拌條件下測試四氧化三鈷粉末的粒徑大小和分布。

圖7 島津激光衍射式粒度分布測定裝置SALD-2300

1、 分析條件

本次測試體條件如下表2所示

表2  SALD-2300測試四氧化三鈷粉末條件

2、 樣品及處理

測試樣品鈷材料A和B，取適量粉末用純水攪拌均勻，經外部超聲分散后，滴加至循環流通池中進行測試。

3、 實驗結果

圖8 四氧化三鈷粉末A粒徑分布圖

圖9 四氧化三鈷粉末B粒徑分布圖

圖10 粒徑分布對比圖

從圖8、9、10可看出，四氧化三鈷粉末A和B粒徑分布均呈正態分布，但存在明顯差異。

四氧化三鈷粉末的粒度測試結果見下表3所示。

表3 粒度測試結果

島津激光粒度儀SALD-2300循環流通池可實現純水自動添加、超聲和攪拌、自動清洗等功能，軟件特有的光強分布再計算(LDR)功能，可自動計算物質的最佳折射率，獲得可靠的粒徑分布數據。本應用使用島津激光粒度儀 SALD-2300 濕法測試四氧化三鈷粉末的粒徑大小和分布，方法簡單易行，測試速度快，數據穩定且重復性好，滿足四氧化三鈷粉末粒度的測試要求。

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