超级电容器中Ni(OH)2电极材料检测方案(X光电子能谱)

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ThermoFisherS CIENTIFIC服务科学领先世界 XPS在超级电容器领域的应用NLLFS助力 Ni(OH)2电极材料的研究 范燕，孙文武，葛青亲 赛默飞世尔科技(中国)有限公司，上海浦东201809 摘 要：：通过 ESCALAB Xi*仪器对改性前后的氢氧化镍电极材料进行分析，探索不同改性工艺获得样品的结构与组成信息。由于 Co2p 谱峰会受到镍俄歇谱峰的干扰，对化学态判定和定量结果确认会产生一定的影响；通过 NLLSF 对 Co2p 进行分峰拟合，结果表明通过Avantage 数据处理可以将 Ni 的俄歇谱峰和 Co2p 谱峰进行合理的分离，从而为 XPS 更加准确的定量以及可为超级电容器氢氧化镍电极材料的改性研究提供依据和指导方向。 关键词： ESCALAB Xi超级电容器改性 Co含量 1前言 超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、绿色环保等优点，被广泛的应用到电动汽车、移动通讯以及计算机备用电源等各个领域。近年来，虽然超级电容器材料取得了较快的发展，但是较低的能量密度限制了其大规模应用，因此制备高比容量的电极材料仍是人们的研究重点。Ni(OH)2因具有较高的理论比容量、环境友好等优点而成为电容电极材料的研究热点，但是由于其较差的导电性使其在大电流充放电条件下的应用受到限制，这就使提高其导电性成为人们关注的重点。目前比较通用的做法就是通过掺杂或与导电性碳材料复合来提高材料的导电性。在此过程中，用XPS对电容器材料进行分析逐渐成为一种常规的分析手段。由于电容器材料比较复杂，在进行掺杂后，进行 XPS 测试过程中经常会遇到谱峰干扰情况，这就给元素的定量分析带来困扰。本文通过 XPS测试，采用软件独有的 NLLSF 功能对 Ni(OH)2掺杂 Co(OH)2的电极材料进行分析，解决电容材料间的谱峰干扰情况，助力提升电容材料的电容性能的研究。 2样品情况及实际问题 该批次样品中同时含有Ni、Co 两种元素，且 Co(OH)2的含量有所差异，需要通过XPS对不同改性工艺样品中 Co(OH)2含量进行准确判定。 如图1所示，采用常规单色化Al靶进行 XPS 数据采集时 Ni 的俄歇峰会与 Co2p 谱峰产生谱峰重叠，由于俄歇谱峰不规则、谱峰较宽等特点以及不同化学态的 Co2p谱峰均有特定的谱峰形状，这使得无法采用常规方法进行定量结果的准确判定。 图1含有 Co(OH)2的 Ni(OH)2电极材料的Co2p谱图 3测试仪器和测试方法 选择 ESCALAB Xi光电子能谱仪进行测试，仪器外观见图2。为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源，500微米束斑。 图2 ESCALAB Xi X射线光电子能谱仪 4XPS 测试结果分析 4.1 Ni(OH)2材料和 Co(OH)2材料的数据采集 如图3所示，对 Ni(OH)2材料和 Co(OH)2材料样品代表性点进行 770~820eV区域的数据采集。 Co2p Scan Ni Auger 图3Co(OH)2和Ni(OH)2样品表面高分辨窄扫谱图 由上图谱可看到， Ni(OH)2样品会在该区域产生俄歇峰，且谱峰较宽，峰形不规则：Co(OH)2样品的 Co2p 谱峰有特定的峰形形状。 4.2数据分析 在采集参考样品的前提下，利用 Avantage 软件特有的 NLLSF 功能对改性 Ni(OH)2电极材料 Co2p 谱峰进行数据分析，发现通过 NLLSF 拟合可将 Ni(OH)2样品中 Ni 俄歇谱峰的贡献去掉，同时能明显分辨出 Co 元素正好处于 Co(OH)2的化学态，并且可进行准确的定量，如图4所示。 图4不同工艺制备电极材料中 Co2p 高分辨窄扫分析谱图 由上图谱，可看出不同工艺制备的电极材料，通过 NLLFS 拟合功能得到很好的拟合效果，并能得到与实际情况相符的定量结果。很好的解决了由于 Co(OH)2谱峰会受到镍俄歇谱峰的干扰，常规方法无法对其进行定量分析的难题，为电池材料的分析提供了一个全新的方法。 5结论 本文通过 XPS 测试将 Ni(OH)2样品在 770~820eV区域产生的俄歇峰和 Co(OH)2样品的Co2p谱峰作为参考谱图对 Ni(OH)2掺杂 Co(OH)2的电极材料 Co2p 谱峰进行 NLLSF 处理，取得了很好的拟合效果，并得到不同改性工艺制备电极材料中 Co2p 的准确含量信息，从而为广大超级电容器研究工作者提供更加真实的样品结构组成数据，为超级电容器性能提升研究提供更加真实客观的指导。 在 XPS 数据分析时往往会遇到谱峰重叠的情况，通常情况下采用常规的单峰或双峰拟合即可；然而在处理一些复杂谱峰拟合(如特定峰形有特定化学态、谱峰形状不规则)时，常规方法无法对其进行定量分析，采用 Avantage 软件特有的 NLLSF 功能即可轻松得到符合样品真实情况的定性、定量结果。 点击文章最下方的“阅读原文”，可获得更多关于 XPS 的应用知识，还有机会获得赛默 飞的定制礼品 【阅读原文链接： https：//www.thermofisher.com/cn/zh/home/industrial/spectroscopy-elemental-isotope-analysis/surface-analysis/xpssimplified.html】