引言

生產(chǎn)明確結(jié)構(gòu)和高單分散性納米顆粒的能力使得開發(fā)各種新型功能性材料成為可能。這種材料在能量轉(zhuǎn)化、能源存儲(chǔ)、催化和分離等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。1

這些顆粒可以合成致密球體的形式，但近空心、核殼型顆粒也引起了很大的研究興趣。這種顆粒可以通過自上而下或自下而上的方式產(chǎn)生。無(wú)論采用哪一種方法，在結(jié)構(gòu)或尺寸上偏離均勻性（多分散性）都不利于所期望的性能。因此，獲得快速而準(zhǔn)確的表征方法來測(cè)量這些材料的尺寸是非常重要的。

小角X-射線散射（SAXS）是表征這中顆粒體系形狀和尺寸的有效方法2。雖然測(cè)量較小顆粒的尺寸（<200 nm）相對(duì)容易，但是在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量較大納米結(jié)構(gòu)就比較困難，特別是在實(shí)驗(yàn)室SAXS設(shè)備的條件下。      

實(shí)驗(yàn)室儀器的zei新進(jìn)展已經(jīng)推動(dòng)了可以用SAXS研究的結(jié)構(gòu)尺寸的上限到顯著更大的尺寸。

這里我們展示的是用Anton Paar的SAXSpoint 5.0設(shè)備測(cè)量尺寸大于200 nm的中空 SiO2 球。有兩個(gè)不同，明確的長(zhǎng)度尺寸（整體尺寸和殼厚度）使得可以使用這種材料作為不同散射方法，如SAXS的參考材料。               

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和結(jié)果

SiO2空心球粉末樣品由Martin Dulle (Forschungszentrum Jülich,Germany) 提供。這些顆粒是經(jīng)過三步合成的。合成細(xì)節(jié)可以參考相關(guān)的文獻(xiàn)。

使用Anton Paar的SAXSpoint5.0進(jìn)行SAXS測(cè)試。系統(tǒng)配備了Primux 100 micro 微焦斑銅靶X-射線源（λ=0.154nm）和Dectris的EIGER2 R 1M 探測(cè)器。測(cè)量是在無(wú)光束遮擋配置下進(jìn)行的。

儀器采用高分辨模式，樣品到探測(cè)器的距離SDD僅有1630mm。

使用收到的粉末樣品并控制測(cè)試溫度為25°C。收集0.01 nm-1<q<1.84 nm-1（q=4π/λ*sin2θ）范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行評(píng)估。樣品的2D散射圖q-曲線如圖1所示。

圖 1: 中空二氧化硅球的2D 散射圖樣

測(cè)量的2D散射圖樣（樣品和背景）徑向積分得到1D散射曲線。

由此產(chǎn)生的曲線在扣除背景（Kapton窗口）前使用樣品透射數(shù)據(jù)來校對(duì)。

粉末SiO2背景扣除后的散射曲線如圖2所示。

圖 2: 扣除背景后的 SAXS 曲線

將扣除背景的SAXS 曲線進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)評(píng)估。

為了描述接收到的散射函數(shù)，使用一個(gè)更復(fù)雜的形狀因子模型。見原始文獻(xiàn)所述1：

R 為核的半徑， DR 為殼的厚度

圖3所示的是擬合和測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)擬合函數(shù),計(jì)算得到的顆粒半徑為116 nm(dparticle=232 nm)和殼厚度為15.4 nm。

這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果完美契合。1

圖3: SiO2的散射數(shù)據(jù) (黑) 和采用球狀核殼模型擬合得到的結(jié)果(紅)。

結(jié)論

所有光束組件（X-射線源，X-射線多層膜聚焦鏡和準(zhǔn)直系統(tǒng)）的智能交互，與緊湊的SAXSpoint 5.0系統(tǒng)的高分辨探測(cè)器EIGER2 R HPC相結(jié)合，在分辨率和X-射線通量方面具有非常高的性能。

SAXSpoint 5.0精密的光束設(shè)計(jì)特點(diǎn)使得從光學(xué)器件到探測(cè)器的整個(gè)光束路徑具有較小的占地面積和高的光通量。

兩者的結(jié)合可允許zei高分辨率高達(dá)0.007 nm-1下測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

1、Ruckdeschel, P.; Dulle, M.; Honold, T.; Förster, S.; Karg, M.;Retsch, M., Monodisperse hollow silica spheres: An in-depth scattering analysis. Nano Re- search 2016, 9 (5), 1366-1376.

2、Schnablegger, H.; Singh, Y., The SAXS Guide - Getting acquainted with the principles. 4th ed.; Anton Paar GmbH: Graz, Austria, 2017.