精品干货：XRD到底可以做些什么？

前言：

物有本末，事有终始；知所先后，则近道矣。

作为结构研究的一种重要方法，XRD在催化材料和其他材料的研究中都具有非常重要的应用。本着温故知新的态度，我们简单地梳理下XRD的一些基础知识，希望能够帮助大家更加全面地了解这一表征手段。（注：本次分享只讨论多晶衍射，单晶衍射后期会出独立的专题，敬请期待）本次分享我们从实用开始，原理的分析放到后面，今天的内容很简单，简单聊聊XRD到底可以做什么？

1. XRD研究的是材料的体相还是表面相？

XRD采用单色X射线为衍射源，一般可以穿透固体，从而验证其内部结构，因此XRD给出的是材料的体相结构信息。

2. XRD是定性分析手段还是定量分析手段？

XRD多以定性物相分析为主，但也可以进行定量分析。通过待测样品的X 射线衍射谱图与标准物质的X 射线衍射谱图进行对比,可以定性分析样品的物相组成;通过对样品衍射强度数据的分析计算,可以完成样品物相组成的定量分析.

3. XRD进行定性分析时可以得到哪些有用信息？

A. 根据XRD谱图信息，可以确定样品是无定型还是晶体：无定型样品为大包峰，没有精细谱峰结构；晶体则有丰富的谱线特征。把样品中最强峰的强度和标准物质的进行对比，可以定性知道样品的结晶度。

B. 通过与标准谱图进行对比，可以知道所测样品由哪些物相组成（XRD最主要的用途之一）。基本原理：晶态物质组成元素或基团如果不相同或其结构有差异,它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度以及衍射峰形上会显现出差异（基于布拉格方程，后面会详细解析）。

C. 通过实测样品和标准谱图2θ值的差别，可以定性分析晶胞是否膨胀或者收缩的问题，因为XRD的峰位置可以确定晶胞的大小和形状。

4. XRD可以用于定量分析哪些内容？

A. 样品的平均晶粒尺寸，基本原理：当 X 射线入射到小晶体时，其衍射线条将变得弥散而宽化，晶体的晶粒越小， x 射线衍射谱带的宽化程度就越大。因此晶粒尺寸与XRD谱图半峰宽之间存在一定的关系, 即谢乐公式（Scherrerequation），下期会详细分析其原理与注意事项。

对于对于负载型催化剂表面的金属颗粒，其颗粒大小 d（单位 nm）与其分散度 D 之间可以简单地换算：d ≈ 0.9/D (注：0.9这个常数是经验值) 。

B. 样品的相对结晶度：一般将最强衍射峰积分所得的面积（As）当作计算结晶度的指标，与标准物质积分所得面积(Ag)进行比较，结晶度=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全谱精修定量等。其中，RIR法的基本原理为1:1混合的某物质与刚玉(Al2O3),其最强衍射峰的积分强度会有一个比值，该比值为RIR值。通过将该物质的积分强度/RIR 值总是可以换算成Al2O3的积分强度。对于一个混合物而言，物质中所有组分都按这种方法进行换算，最后可以通过归一法得到某一特定组分的百分含量。

D. XRD还可以用于点阵常数的精密计算，残余应力计算等（黄继武老师主编的《多晶材料X射线衍射：实验原理、方法与应用》）

5. 推荐参考书籍及分析软件

参考书籍：李树棠等主编《晶体X衍射学基础》；黄继武等主编《多晶材料X射线衍射：实验原理、方法与应用》；辛勤等主编《现代催化研究方法》等

分析软件：Jade 5.0或者6.5

6. XRD晶体数据库

无机晶体结构数据库（ICSD）：https://icsd.fiz-karlsruhe.de/search/

国际衍射数据中心（ICDD）: http://www.icdd.com/

剑桥晶体数据中心(CCDC): http://www.ccdc.cam.ac.uk/