近常压下的表面观察：NAP-XPS技术简介
Csi-Lab
2025-08-08
《近常压下的表面观察：NAP-XPS技术简介》
X射线光电子能谱仪
近常压X射线光电子能谱仪
···
引言
近常压X射线光电子能谱仪（NAP-XPS）作为表面分析领域的突破性技术，彻底改变了传统X射线光电子能谱仪（XPS）必须在超高真空（UHV）环境下工作的限制。通过特殊设计的差分抽气系统，它允许在最高25 mbar气压下对固-气或固-液界面进行原位表征。这一突破弥合了传统表征条件与实际反应环境间的“压力鸿沟”，使科学家能在接近真实的催化、电池充放电或气体传感条件下，实时捕捉材料表面元素化学态的动态演。该技术自问世以来，已推动能源催化、环境科学和电子器件等领域的机制研究进入原子尺度动态观察的新纪元。
#01
·· 原理及结构 ··
XPS的核心物理基础是爱因斯坦光电效应。当单色化X射线（通常采用Al Kα源，能量1486.6 eV）照射样品表面时，光子与原子内层电子相互作用，导致电子电离并逸出表面。通过半球形分析器测量光电子的动能分布，即可反推出材料表面元素的化学组成和价态信息。
然而，当激发的电子通过样品周围一定厚度的气相或液相时，会发生非弹性散射相互作用，导致大部分发射的光电子发生动能损失，只有一部分保持初始动能，随着气体厚度和压力的增加，保留初始动能的光电子比例呈指数下降，因此，确定合适的气相层厚度以确保光电子能够充分收集进行分析是至关重要的。此外，较高的气压显著降低了光电子的收集率，在相同气相厚度下，10mbar压力下的收集率远低于1mbar压力下的收集率。
XPS是在超高真空条件下进行的，以防止电子与气体或液体分子发生散射。然而，这种做法导致样品测试环境与应用环境之间存在显著的压力差异。NAP-XPS克服了这一压力限制。NAP-XPS使用真空差分技术保持电子能量分析器内环境的高真空度，同时结合静电透镜系统，如图1所示，能够在接近大气压的条件下对材料表面进行高灵敏度的化学成分和电子结构分析。
···
图1 NAP-XPS 仪器示意图
（a）NAP-XPS 的总体设计；（b）无静电透镜的差压泵系统；（c）带有静电透镜的差压泵系统。
#02
·· 测试能力 ··
1. 表面成分分析
通过X射线光电子能谱仪(XPS)可获取样品表面元素组成、化学态及电子结构信息。该技术对表面元素检测限约为5%，能够精确鉴定元素的化学价态和分子环境。
2. 深度分布分析
配备可调能量Ar+离子溅射源，可实现样品元素组成随深度变化的剖面分析。此外，通过变角度XPS测试可获取不同探测深度（0-10nm）的表面化学信息，为薄膜和界面研究提供重要手段。
3. 近常压XPS(NAP-XPS)气体环境调控
测试腔体支持从超高真空(5×10-10 mbar)到近常压(25mbar)的精确气压控制，可通入多种反应气体（包括O2、H2、CO、CO2、C2H4及水蒸气等），模拟真实催化反应环境。
4. 原位加热与表面处理
集成激光加热系统可在室温至800℃范围内进行原位表征，结合Ar+离子溅射可对单晶样品进行原位清洁和退火处理，为表面科学研究提供完整解决方案。
5. 光催化原位表征
系统配备外部氙灯光源，可在气体环境和加热条件下同步进行光照射，实现光催化反应过程的实时监测，为光催化剂机理研究提供独特技术平台。
6. 电化学原位联用技术
通过与手套箱联用的转移系统，电化学样品（电池/电催化剂）可在隔绝空气条件下进行反应-表征循环，精确追踪电极表面化学状态随电位/时间的演变规律。
#03
·· 应用领域 ··
|
|
|
应用领域 |
研究对象 |
核心发现 |
参考文献 |
|
多相催化 |
Ru/Al2O3催化剂 |
H2使RuOx还原温度降至100°C |
10.1016/j.apsusc.2025.163910 |
|
钙钛矿太阳能电池 |
DBTPA修饰MAPbI3 |
150°C下零价Pb生成被抑制 |
10.1021/acsami.0c12044 |
|
气体传感 |
Pt/SnO2传感器 |
CO诱导表面氧空位形成与带弯 |
10.1088/1361-6463/ac3283 |
|
CO2捕集 |
离子液体 |
CO₂分可逆/不可逆吸收 |
10.1088/2515-7639/acfdcf |
|
锂离子电池 |
玻碳电极SEI膜 |
前驱体膜中Li2CO3优先形成 |
10.1039/d3ee03228k |
#04
·· 技术优势与未来前景 ··
相较于传统XPS，NAP-XPS的核心优势在于其原位性、动态追踪能力与环境模拟真实性。然而，其进一步发展仍面临挑战：
1）压力上限待突破：目前25 mbar（某些特定扩展设备可达1bar）仍低于许多工业反应条件；
2）液相环境限制：固-液界面研究需薄液膜覆盖，体相溶液行为难以捕捉；
3）时空分辨率平衡：秒级时间分辨率与μm级空间分辨率难以兼得。
Ending
▼
-END-
