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測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？

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1 引言

價(jià)態(tài)又稱(chēng)化合價(jià)或原子價(jià)，簡(jiǎn)稱(chēng)價(jià)，是各種元素的一個(gè)原子或原子團(tuán)、基（根）與其他原子相互化合的數(shù)目。

價(jià)態(tài)的概念最初來(lái)自于17世紀(jì)末開(kāi)始的定比定律，普羅斯等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，指出天然的和人造的鹽基性碳酸銅的組成是完全相同的。從這一事實(shí)引導(dǎo)出這樣的結(jié)論：兩種或兩種以上元素相化合物成某一化合物，其重量的比例是一定的，不能或增或減。

到19世紀(jì)中葉，德國(guó)人邁爾建議將“原子數(shù)”和“原子親和力單位”用“原子價(jià)”代替。至此，原子價(jià)學(xué)說(shuō)便正式建立了。原子價(jià)學(xué)說(shuō)的建立提示了各種化學(xué)元素性質(zhì)的一個(gè)極其重要的方面，闡明了各種元素相互化合物時(shí)在數(shù)量上遵循的規(guī)律。

價(jià)態(tài)有正負(fù)之分，給出電子的為正價(jià)，獲得電子的為負(fù)價(jià)。正價(jià)一般是金屬元素在化合物中顯現(xiàn)的價(jià)態(tài)（例：Fe2O3中的Fe就顯現(xiàn)出+3價(jià)）。也有些非金屬元素的價(jià)態(tài)會(huì)顯現(xiàn)出正價(jià)，一般是氫、碳、硅這些最外層電子數(shù)為滿電荷數(shù)一半的元素。既可以失電子，也可以得電子。所以也可以顯現(xiàn)出正價(jià)（例：CO2中的C就顯現(xiàn)出+4價(jià)）；負(fù)價(jià)一般是非金屬元素在化合物中顯現(xiàn)的價(jià)態(tài)（例：NaCl中的Cl就顯現(xiàn)出-1價(jià)）。所有非金屬元素中，只有氟元素（F）是永遠(yuǎn)顯負(fù)價(jià)的，因?yàn)榉厥撬蟹墙饘僭刂?，電?fù)性最強(qiáng)的。

通常，以氫的化合價(jià)等于1作為標(biāo)準(zhǔn)。例如，水分子（H2O）中氧原子為-2價(jià)，氫原子為+1價(jià)。一般硫酸根為-2價(jià)，氫氧根為-1價(jià)。同一元素的不同價(jià)態(tài)在環(huán)境中的化學(xué)行為與生物效應(yīng)有很大的不同。如重金屬在微生物酶的氧化還原反應(yīng)中，可形成幾種不同的價(jià)態(tài)混合存在于環(huán)境或生物體中；如鈷同時(shí)有+1、

+2和+3價(jià)，鉻有+2、+3和+6價(jià)，砷有+3和+5價(jià)等。不同價(jià)態(tài)的毒性差別很大；如+6價(jià)鉻毒性最強(qiáng)，+3價(jià)鉻次之，+2價(jià)鉻和元素鉻（單質(zhì)）幾乎無(wú)毒性；+3價(jià)砷的毒性很強(qiáng)，比+5價(jià)砷高0.8倍，這是由于不同價(jià)態(tài)物質(zhì)的溶解度、與巰基的親和力等物理化學(xué)性質(zhì)有較大的不同所致。如表1，是一些常見(jiàn)元素的化合價(jià)。

表1 常見(jiàn)元素化合價(jià)

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考表1

一般來(lái)說(shuō)，元素的化合價(jià)分為三種情況：

1、最高化合價(jià)：失去最外電子層的所有電子，使自身達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，例如高氯酸，它的氯元素失去了最外電子層的所有7個(gè)電子，達(dá)到最高價(jià)態(tài)+7價(jià)。

2、中間價(jià)態(tài)：得到或失去一定數(shù)目的電子，同樣可以使自身達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，例如一氧化碳，它的碳元素沒(méi)有達(dá)到最高的+4價(jià)，也沒(méi)有達(dá)到最低的-4價(jià)，而是處于一種中間價(jià)態(tài)。

3、最低化合價(jià)：得到一定數(shù)目的電子，使最外電子層的電子數(shù)達(dá)到飽和，使自身達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，例如甲烷，它的碳元素得到了4個(gè)電子達(dá)到了最低價(jià)態(tài)-4價(jià)。

但凡涉及到化合物，那就避不開(kāi)元素價(jià)態(tài)，目前，在金屬加工、生物醫(yī)學(xué)、材料工程、化學(xué)化工等各個(gè)領(lǐng)域均涉及到元素的價(jià)態(tài)。但是，關(guān)于價(jià)態(tài)的表征方法，包括價(jià)態(tài)的定性、定量，以及性質(zhì)與性能的關(guān)聯(lián)等還缺乏系統(tǒng)研究。在此，筆者結(jié)合自己的科研經(jīng)驗(yàn)對(duì)元素價(jià)態(tài)的常見(jiàn)表征方法（圖1）進(jìn)行匯總，并給出一些典型實(shí)例，希望能給大家?guī)?lái)啟發(fā)。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖1

圖1 常見(jiàn)元素價(jià)態(tài)表征技術(shù)

2 X射線光電子能譜（XPS）

X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）是電子材料與元器件顯微分析中的一種先進(jìn)分析技術(shù)，而且是和俄歇電子能譜技術(shù)（AES）常常配合使用的分析技術(shù)。由于它可以比俄歇電子能譜技術(shù)更準(zhǔn)確地測(cè)量原子的內(nèi)層電子束縛能及其化學(xué)位移，所以它不但為化學(xué)

研究提供分子結(jié)構(gòu)和原子價(jià)態(tài)方面的信息，還能為電子材料研究提供各種化合物的元素組成和含量、化學(xué)狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵方面的信息。它在分析電子材料時(shí)，不但可提供總體方面的化學(xué)信息，甚至還能給出表面、微小區(qū)域和深度分布方面的信息，作用巨大。

XPS主要應(yīng)用是測(cè)定電子的結(jié)合能來(lái)鑒定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)及組成的分析，其特點(diǎn)在光電子來(lái)自表面10 nm以?xún)?nèi)，僅帶出表面的化學(xué)信息，具有分析區(qū)域小、分析深度淺和不破壞樣品的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于金屬、無(wú)機(jī)材料、催化劑、聚合物、涂層材料礦石等各種材料的研究，以及腐蝕、摩擦、潤(rùn)滑、粘接、催化、包覆、氧化等過(guò)程的研究，尤其是對(duì)于元素價(jià)態(tài)，XPS有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖2

圖2 Pt18Ni26Fe15Co14Cu27納米粒子的XPS結(jié)果

Hong dong Li等人[1]采用簡(jiǎn)單的低溫油相策略，在大氣壓力下合成了均勻的超細(xì)(~3.4 nm) HEAs高熵合金Pt18Ni26Fe15Co14Cu27納米顆粒。為了分析材料中元素的組成含量及價(jià)態(tài)信息，作者對(duì)Pt18Ni26Fe15Co14Cu27納米粒子進(jìn)行了X射線光電子能譜（XPS）測(cè)試，顯示了Pt、Ni、Fe、Co和Cu

元素的存在（圖2a），Pt、Ni、Fe、Co和Cu的原子比為21.2: 27.4: 15.2: 13.7: 22.5，進(jìn)一步證明HEA材料被成功制備。圖2b中Pt 4f7/2和Pt 4f5/2峰值分別位于71.3和74.7 eV處，表明鉑主要以零價(jià)和少量+2價(jià)的形式存在。Ni 2p光譜顯示Ni0（852.8 eV）和Ni2+（855.6 eV）共存，衛(wèi)星峰位于861.6 eV，由于Ni的高化學(xué)活性，Ni0的含量低于Ni2+的含量。圖2d中的Fe 2p光譜顯示了711.6 eV和724.8 eV處的兩個(gè)峰值，分別歸因于Fe 2p3/2和Fe 2p1/2。此外，Co 2p峰可歸因?yàn)?/span>Co 2p3/2（780.8 eV）和Co 2p1/2（797.0 eV）（圖2e）。Cu 2p光譜（圖2 f）也顯示樣品中存在Cu0（931.7 eV）和Cu2+（933.5 eV）峰。

3 紫外光電子能譜（UPS）

光電子能譜技術(shù)自二十世紀(jì)六十年代迅速發(fā)展起來(lái)，并成為研究固體材料表面態(tài)的最重要和有效的分析技術(shù)之一，主要包括前文提及的X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）和紫外光電子能譜（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)UPS）兩個(gè)分支體系。UPS和XPS獲得的信息既是類(lèi)似的，也有不同之處，因此在分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和表面研究以及材料研究等應(yīng)用方面，它們是相互補(bǔ)充的。

UPS測(cè)量的基本原理與XPS相同，都是基于愛(ài)因斯坦光電定律。對(duì)于自由分子和原子，遵循EK=hn-EB-Φsp，其中，hn為入射光子能量（已知值），EK為光電過(guò)程中發(fā)射的光電子的動(dòng)能（測(cè)量值），EB為內(nèi)層或價(jià)層束縛電子的結(jié)合能（計(jì)算值），Φsp為譜儀的逸出功（已知值，通常在4 eV左右）。但是所用激發(fā)源的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X光，因此，光激發(fā)電子僅來(lái)自于非常淺的樣品表面（~10 ?），反映的是原子費(fèi)米能級(jí)附近的電子即價(jià)層電子相互作用的信息，可以在高能量分辨率（10~20 meV)水平上探測(cè)價(jià)層

電子能級(jí)的亞結(jié)構(gòu)和分子振動(dòng)能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，是研究材料價(jià)電子結(jié)構(gòu)的有效方法之一。

西班牙佩斯瓦斯科大學(xué)Miguel博士和Stefano博士[2]為了更好地理解鋰金屬負(fù)極與其加工環(huán)境之間的相互作用機(jī)制，結(jié)合了X射線光電子能譜（XPS）、紫外光電子能譜（UPS）和密度泛函理

論（DFT）表征了鋰金屬在O2，CO2，N2氛圍下的影響，為系統(tǒng)化和可重復(fù)性研究金屬鋰負(fù)極鈍化策略奠定了基礎(chǔ)。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖3

圖3 暴露于不同劑量的N2的金屬鋰的歸一化表面組成（左垂直軸）和功函數(shù)演變（右垂直軸）：a）低劑量范圍為0-10 L，b）中劑量范圍為 10-1000L；c）氮離子注入后在鋰表面上測(cè)得的N 1s，O 1s和Li 1s光電子峰。

以N2為例，作者觀察到，對(duì)于任何研究的N2劑量，均未觀察到金屬鋰與N2之間的相互作用。在暴露于1至1000 L的N2劑量期間，表面成分以及因此的功函數(shù)（圖3 a-b）幾乎保持恒定。

從圖3 c中對(duì)由鋰金屬和氮化鋰組成的表面中的Li 1s，O 1s和N 1s的分析，可以發(fā)現(xiàn)其中歸一化表面成分為68.4% Li0、19.8% Li3N，8.1% Li2O和3.7%的少量雜質(zhì)。Li3N的形成導(dǎo)致由UPS確定的Wf值從含Li3N的表面的Li0的3.01 eV變?yōu)?/span>2.49 eV?？紤]到最終表面還包含8.1%的Li2O，人們可以認(rèn)為Wf的下降是由于氧化鋰的形成，也就是說(shuō)金屬鋰從0價(jià)變成了+1價(jià)。但是，這樣的表面Li2O量應(yīng)導(dǎo)致Wf = 2.97 eV，遠(yuǎn)高于測(cè)得的2.49 eV。因此，氮化鋰的形成也減少了功鋰金屬的功函數(shù)。

4 X射線吸收光譜（XAS）

XAS是X-ray Absorption Spectra的縮寫(xiě)，全稱(chēng)為X射線吸收光譜。X射線透過(guò)樣品后，其強(qiáng)度發(fā)生衰減且其衰減程度與材料結(jié)構(gòu)、組成有關(guān)。這種研究透射強(qiáng)度I與入射X射線強(qiáng)度Io之間關(guān)系的光譜，稱(chēng)為X射線吸收光譜；由于其透射光強(qiáng)與元素、原子質(zhì)量有關(guān)，故可以用于元素的定性，甚至定量分析。XAS可以表征許多不同的材料，包括晶體或非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的液體和固體，從塊狀到納米級(jí)甚至單個(gè)原子。

XAS包括兩種：樣品通過(guò)吸收X射線激發(fā)其核心電子躍遷到空軌道（XANES）或者躍遷到連續(xù)態(tài)與周?chē)有纬刹ǖ母缮?/span>(EXAFS)。其中，EXAFS可知鄰近原子結(jié)構(gòu)，而XANES則可以告訴我們化學(xué)價(jià)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)。

當(dāng)入射X射線能量低于元素s軌道(即s軌道)中電子的結(jié)合能時(shí)，電子不會(huì)被激發(fā)到最高未占據(jù)狀態(tài)或真空狀態(tài)。強(qiáng)X射線和電子

相互作用的缺乏導(dǎo)致了如圖4a所示的平坦區(qū)域；然而，在過(guò)渡金屬中，一些不利的躍遷，如1s到3d，將出現(xiàn)一個(gè)前邊緣峰(圖4a)。一旦X射線能量足夠高，將核心電子激發(fā)到未占據(jù)狀態(tài)(圖4b)， X射線被強(qiáng)吸收，導(dǎo)致光譜發(fā)生大跳躍，這被稱(chēng)為X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)(XANES)(圖4a)。該區(qū)域?qū)Ρ粶y(cè)元素的氧化態(tài)和電子結(jié)構(gòu)敏感，可以用來(lái)檢測(cè)元素價(jià)態(tài)。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖4

圖4 （a）XAS的原理圖，（b）X射線吸收過(guò)程和電子激發(fā)過(guò)程

Park等人[3]首次成功合成了一系列Na3(VO1?xPO4)2F1+2x (0≤ x ≤1)的化合物作為新型高性能鈉離子電池陰極材料。測(cè)試表明，該陰極電極材料具有高能量密度和良好的循環(huán)壽命，在新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。作者采用XANES對(duì)其中釩元素的價(jià)態(tài)進(jìn)行了表征分析，如圖5所示。

Na3(VO1?xPO4)2F1+2x (0≤ x ≤1)離子含量的變化改變了釩的氧化態(tài)，最終影響了電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)對(duì)釩K邊的X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)分析，釩的氧化態(tài)隨著氟含量(x)不斷變化。當(dāng)x從0增加到1時(shí)，光譜的邊緣向能量較低的方向移動(dòng)，說(shuō)明釩離子的還原。插圖中顯示的前邊緣區(qū)域變化更明顯，隨著x的增加，前邊緣峰逐漸變小，最終在x = 1處消失。

這一觀察結(jié)果與XANES對(duì)含V4+和V3+離子的化合物的分析一致?；?/span>V4+八面體的化合物通常表現(xiàn)出一個(gè)大的前邊緣峰，而那些V3+八面體的化合物由于較弱的1s到3d三維躍遷而表現(xiàn)出一個(gè)

微小的前邊緣峰。隨著x的增加，前緣峰逐漸消失，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析表明，V4+O5F八面體比V3+O4F2八面體變形更嚴(yán)重。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖5

圖5 x = 0時(shí)V2O10F八面體的幾何形狀，x = 1時(shí)V2O8F3八面體的幾何形狀，以及不同氟含量Na3(VO1?xPO4)2F1+2x樣品的釩K邊XANES光譜：黑色的x = 0.0，藍(lán)色的x = 0.2，綠色的x = 0.8，紅色的x = 1.0，

插圖為前邊緣區(qū)域的放大圖

5 俄歇電子能譜（AES）

當(dāng)一定能量的電子束轟擊固體樣品表面時(shí)，如果樣品中原子的內(nèi)層電子被擊出，原子將處于高能的激發(fā)態(tài)，此時(shí)，外層電子將會(huì)躍遷到內(nèi)層的電子空位，同時(shí)以?xún)煞N方式釋放能量：發(fā)射特征X射線；或引起另一外層電子電離，使其以特征能量射出固體樣品表面，此即俄歇電子。通過(guò)檢測(cè)俄歇電子的能量和強(qiáng)度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法，即為俄歇電子能譜（Auger Electron Spectrometry，簡(jiǎn)稱(chēng)AES）。

俄歇躍遷通常涉及三個(gè)能級(jí)，元素化學(xué)態(tài)變化時(shí)，能級(jí)狀態(tài)有小的變化，從而導(dǎo)致這些俄歇電子峰與零價(jià)狀態(tài)的峰相比有幾個(gè)電子伏特的位移。因此，由俄歇電子峰的位置和形狀可得知樣品表面區(qū)域原子的化學(xué)環(huán)境或化學(xué)狀態(tài)的信息。故而利用AES可以研究固體表面的能帶結(jié)構(gòu)、表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化（如表面吸附、脫附以及表面化學(xué)反應(yīng)）；常用于材料組分的確定、純度的檢測(cè)、材料尤其是薄膜材料的生長(zhǎng)分析等。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的林君研究員和程子泳研究員等人[4]設(shè)計(jì)并合成了中空結(jié)構(gòu)的CuS@Cu2S@Au納米殼/衛(wèi)星納米顆粒，用于改善癌癥治療領(lǐng)域的光熱療法和靶向治療。

作者通過(guò)XRD分析確認(rèn)了CuS和CuS@Au的形成。然而，制備出的CuS和CuS@Au在X射線光電子能譜(XPS)中的結(jié)果明顯不同(圖6)。CuS顯示四個(gè)Cu 2p峰，包括在934.6 eV的Cu 2p3/2峰和在943.5 eV衛(wèi)星峰，以及在954.7 eV的Cu 2p1/2峰和在962.6 eV的衛(wèi)星峰。相比之下，CuS@Au的XPS譜顯示了931.1 eV的Cu 2p3/2峰和951.2 eV的Cu 2p1/2峰(圖6B)，這對(duì)應(yīng)于典型的Cu+或Cu0價(jià)態(tài)。

為此，作者通過(guò)計(jì)算修正的俄歇電子能譜來(lái)確定銅在CuS@Au上的價(jià)態(tài)。經(jīng)Au納米粒子修飾后，得到的Cu的光電子結(jié)合能(931.1 eV，圖6C)和俄歇?jiǎng)幽?/span>(918.5 eV，圖6D)之和為1849.6 eV，清楚地表明Cu+在CuS@Au上的存在。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖6

圖6 HCuS (A)和HCuS@Cu2S@Au (B)中Cu 2p峰的XPS高分辨率

掃描；(C) HCuS@Cu2S@Au中Cu 2 p3/2的詳細(xì)光譜；

(D) HCuS@Cu2S@Au Cu LMM的俄歇電子譜(AES)

6 電子順磁共振譜（EPR）

電子自旋共振波譜儀（EPR）是一項(xiàng)檢測(cè)具有未成對(duì)電子樣品的波譜方法。即使是在正在進(jìn)行的化學(xué)和物理反應(yīng)中，它也能獲得有意義的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和動(dòng)態(tài)信息，且不影響這些反應(yīng)。

當(dāng)含有未成對(duì)電子的物質(zhì)放在諧振腔內(nèi)，然后置于外磁場(chǎng)中（由磁體和電源產(chǎn)生，磁場(chǎng)控制器控制）時(shí)，未成對(duì)電子會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂（具有能級(jí)差），然后在磁場(chǎng)的垂直方向加上微波（有微波橋產(chǎn)生），當(dāng)微波的能量與前面敘述的能級(jí)差相等時(shí)，有一部分低能級(jí)中的電子就會(huì)吸收微波能量躍遷到高能級(jí)，也就是說(shuō)發(fā)生了電子順磁共振。然后我們就檢測(cè)被吸收的能量，并對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理（由信號(hào)通道完成），最終有數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出。

EPR很多應(yīng)用于研究過(guò)渡金屬配合物，因?yàn)檫^(guò)渡金屬具有未充滿的d殼層，其配合物常有未配對(duì)電子。用EPR可以研究配合物中過(guò)渡元素的價(jià)態(tài)、電子組態(tài)、配合物結(jié)構(gòu)等。目前已在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)探礦等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

邢明陽(yáng)教授研究團(tuán)隊(duì)[5]通過(guò)對(duì)商品化的CoS2（CoS2-com）進(jìn)行簡(jiǎn)單的超聲處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CoS2-x表面缺陷的調(diào)控，成功引入“雙中心”缺陷活性位點(diǎn)。

作者利用電子順磁共振（EPR）技術(shù)來(lái)檢測(cè)CoS2-com和CoS2-x缺陷濃度和種類(lèi)的變化（圖7c）。CoS2-com在g=2.004處有一個(gè)很強(qiáng)的S的缺陷峰，其暴露Co3+活性位點(diǎn)并主要表現(xiàn)為“氧化”活性中心。有趣的是，超聲處理后CoS2-x的EPR圖譜在g=1.996處出現(xiàn)了一個(gè)新的Co的缺陷峰，該缺陷攜帶電子，主要表現(xiàn)為“還原”活性中心。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖7

圖7 (a) CoS2-x的超聲制備方法；(b) CoS2-com與CoS2-1.5h

（超聲前后）以及CoS2-1.5h體系和CoS2-1.5h/Fe2+體系反應(yīng)后的Co 2p XPS譜圖；(c) 室溫下CoS2-com和CoS2-x中缺陷的EPR譜圖

同時(shí)，g=2.004處信號(hào)峰的消失，作者分析，可能是由于超聲使得Co3+轉(zhuǎn)化為Co4+（氧化活性中心）造成的（電荷守恒）。

7 其它檢測(cè)方法

由于元素價(jià)態(tài)的重要性以及其在不同領(lǐng)域的測(cè)試差異，許多其他方法也可用于元素價(jià)態(tài)的測(cè)定。例如離子色譜與質(zhì)譜聯(lián)用可以測(cè)量許多特定元素的價(jià)態(tài)。

Pema等人[6]為了證明納米零價(jià)鐵（nZVI）具有優(yōu)異的有機(jī)材料降解能力和無(wú)機(jī)吸附能力，利用合成的nZVI對(duì)Sb進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn)。作者利用IC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)，測(cè)試了Sb的元素價(jià)態(tài)，如圖8是典型的Sb3+和Sb5+離子色譜。Sb5+的保留時(shí)間(tr)為~154 s，Sb3+的保留時(shí)間為~226 s。Sb5+的峰高而銳利；而Sb3+的峰更短更寬。這可能是由于合成的Sb3+和EDTA陰離子復(fù)合物被陰離子交換柱吸附，同時(shí)也阻止了Sb3+氧化成Sb5+導(dǎo)致的。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖8

圖8 Sb的離子色譜圖

再比如說(shuō)紫外-可見(jiàn)分光光度法（UV-vis），可以在190～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)定物質(zhì)的吸光度。根據(jù)吸收光譜，可以確定最大吸收波長(zhǎng)λmax和最小吸收波長(zhǎng)λmin。物質(zhì)的吸收光譜具有與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征性。因此，可以通過(guò)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)樣品的光譜與對(duì)照光譜或?qū)φ掌饭庾V的比較，或通過(guò)確定最大吸收波長(zhǎng)，或通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)特定波長(zhǎng)處的吸收比值而鑒別物質(zhì)。

Chen等人[7]利用溶劑熱法合成一種同時(shí)含有U4+、U5+和U6+的復(fù)雜而稀有的混合價(jià)膦酸鈾化合物，作者分別利用XPS、EPR、FTIR和UV-vis等證實(shí)了U的三種價(jià)態(tài)，如圖9b是制備得到化合物的UV-vis-NIR圖。

將其與紫外基準(zhǔn)K(U5+O)Si2O6比較，證實(shí)了化合物1中U5+的存在。從圖中觀察到化合物1在200 nm到400 nm之間有一個(gè)較寬的電荷轉(zhuǎn)移峰，而在該范圍內(nèi)化合物2的電荷轉(zhuǎn)移峰相對(duì)較窄。這種從O 2p軌道到U 6d/5f軌道的電荷轉(zhuǎn)移特征，通常是由U4+引起的，這些特征在一些具有U5+離子的化合物的光譜中十分常見(jiàn)，如K(U5+O)Si2O6，以及由陽(yáng)離子相互作用引起的鈾酰鍵延長(zhǎng)的U4+化合物等。

測(cè)元素價(jià)態(tài)，你還只會(huì)用XPS嗎？演示參考圖9

圖9 （a）化合物1的多面體視圖，（b）UV-vis-NIR光譜

8 總結(jié)

即使筆者提及到了大部分常見(jiàn)的元素價(jià)態(tài)檢測(cè)方法，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)依然經(jīng)常需要我們根據(jù)所需檢測(cè)的材料特性進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)然，也有一些特殊的方法筆者沒(méi)有一一列出，比如說(shuō)由于氟磷酸釩鈉系列化合物的2個(gè)端點(diǎn)化合物的晶胞參數(shù)不同，用X 射線衍射精

修得到樣品晶胞參數(shù)后可根據(jù)Vegard 定律計(jì)算2個(gè)端點(diǎn)化合物的比例，進(jìn)而確定釩的表觀價(jià)態(tài)；再比如說(shuō)MnZn鐵氧體中由于Mn和Fe極易變價(jià)（Fe：Fe2+、Fe3+，Mn：Mn2+、Mn3+），因此常用電位滴定法來(lái)定量分析其中Mn、Fe元素的價(jià)態(tài)及含量，此外還有中子活化法、電化學(xué)分析法等特定檢測(cè)技術(shù)。

總之，筆者希望通過(guò)本文的歸納總結(jié)，能進(jìn)一步激發(fā)相關(guān)科研人員更深層次的了解并掌握元素價(jià)態(tài)檢測(cè)常見(jiàn)表征方法，為研究、開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)便捷的定性、定量的元素表征手段提供借鑒，為科研開(kāi)路添磚加瓦。

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[2] Miguel, Stefano et al. Work Function Evolution in Li Anode Processin. Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.202000520

[3] Young-Uk Park, Dong-Hwa Seo, Hyungsub Kim. A Family of High-Performance Cathode Materials for Na-ion Batteries, Na3(VO1?xPO4)2F1+2x (0≤ x ≤1): Combined First-Principles and Experimental Study. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4603–4614.

[4] Xiaoran Deng, Kai Li, Xuechao Cai et al. A Hollow-Structured CuS@Cu2S@Au Nanohybrid: Synergistically Enhanced Photothermal Efficiency and Photoswitchable Targeting Effect for Cancer Theranostics. Adv. Mater. DOI:10.1002/adma.201701266.

[5] Jiahui Ji, Qingyun Yan, Pengcheng Yin. Tuning Redox Reactions via Defects on CoS2-x for Sustainable Degradation of Organic Pollutants. Angewandte Chemie International Edition. DOI:10.1002/anie.202013015.

[6] Pema Dorjee, Dulasiri Amarasiriwardena, Baoshan Xing. Antimony adsorption by zero-valent iron nanoparticles (nZVI): Ion chromatography–inductively coupled plasma mass spectrometry (IC–ICP-MS) study. Microchemical Journal. DOI: org/10.1016/j.microc.2014.03.010.

[7] Lanhua Chen, Tao Zheng, Songsong Bao, et al. A Mixed-Valent Uranium Phosphonate Framework Containing UIV, UV, and UVI, Chem. Eur. J. DOI: 10.1002/chem.201602863.

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