化工检测方法XRD

第二章多晶X射线衍射法催化剂性能评价与表征物质性能当今材料科学的基础研究和应用研究中化学组成结构型式功能意识↑对结构与性能联系规律认识↑以性能为导向寻找和设计最适宜结构的材料结构分析测试方法有着重要意义和不可限量的前景相关原子在空间结合成分子或物质的方式•X射线衍射–单晶衍射–多晶衍射•固体材料大都是多晶物质–如催化材料、纳米材料、有机-无机杂化材料等•样品易得以及样品与实际体系相接近•作为一项研究物质结构的技术，在学科研究和工程技术中的应用日趋广泛和富有成效2.1晶体几何学基本知识2.2X射线的产生2.3X射线衍射的基本原理2.4X衍射粉末衍射技术2.5物相分析2.6定量相分析2.7晶胞参数测定2.8线宽法测平均晶粒大小2.9原位高温XRD第二章多晶X射线衍射法X射线衍射技术应用于固体材料的目的2.1晶体几何学基本知识研究晶体空间结构的特征揭示其构成特点与性能的关系晶体几何学的基本知识1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识1、晶体•晶体：由原子（离子或分子）在三维空间中按照一定规则以周期性排列而构成的固体物质•无定形物质：原子的无序排列构成•微晶：晶体到无定形物质之间的过渡区域晶体和无定形物质之间没有截然分开的界线，从晶态到无定形是原子周期排列重复次数由多到少的量变到质变的过程•基本性质–确定的熔点–规则的多边形外形–均匀性–各向异性–对称性–对X射线的衍射在不同方向上具有不同的导热、导电、光学等物理性质晶体的理想外形和晶体的内部结构都具有特定的对称性晶体结构的周期大小和X射线的波长相当，可作为三维光栅，使X射线产生衍射非晶物质没有周期性结构，不能产生效应上述晶体的特点是由晶体内部原子或分子排列的周期性所决定的，是各种晶体所共有一块晶体内部各个部分的宏观性质是相同的，例如有着相同的密度、相同的化学组成等晶体的均匀性来源于晶体中原子排布的周期很小，宏观观察分辨不出微观的不连续性气体、液体和玻璃体也有均匀性，是由于原子杂乱无章地分布，来源于原子无序分布的统计性规律晶体在生长过程中自发形成晶面，晶面相交成为晶棱，晶棱会聚成顶点，从而出现具有多面体外形的特点，其决定于晶体的周期性结构晶体在理想环境中生长应长成凸多面体F(晶面数)+V(顶点数)＝E(晶棱数)十2第一章催化剂性能评价•1.1概述•1.2催化剂的活性•1.3催化剂的选择性•1.4催化剂的失活、再生与寿命•1.5催化剂活性测试方法2.1晶体几何学基本知识2.2X射线的产生2.3X射线衍射的基本原理2.4X衍射粉末衍射技术2.5物相分析2.6定量相分析2.7晶胞参数测定2.8线宽法测平均晶粒大小2.9原位高温XRD第二章多晶X射线衍射法X射线衍射技术应用于固体cat的目的2.1晶体几何学基本知识研究晶体空间结构的特征揭示其构成特点与性能的关系晶体几何学的基本知识1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识1.晶体、无定形体、微晶2.晶体的基本性质①确定的熔点②规则的多边形外形③均匀性④各向异性⑤对称性⑥对X射线的衍射1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识（1）点阵（2）格子（3）结构基元（4）十四种空间点阵型式（5）布拉维法则（6）点阵参数简便地描述晶体内部原子(离子或分子)的周期性排列空间点阵把原子、离子或分子抽象成一个几何的点，将此点沿空间的三个方向a、b、c周期地、无限地排列下去点阵将表示各类等同质点的抽象几何点称为点阵点或阵点I概念–是一组无限的点，连接其中任意两点可得一向量，将各个点按此向量平移能使它复原，凡满足这条件的一组点称为点阵(lattice)–注意•平移必须是按向量平行移动，没有丝毫转动•点阵中每个阵点都具有完全相同的周围环境（1）点阵II点阵分类•直线点阵（一维点阵）•平面点阵（二维点阵）•空间点阵（三维点阵）•直线点阵（一维点阵）分布于一维空间内的点阵阵点排列为一直线的点阵单位向量为a分布于二维空间内的点阵单位向量为、平面格子把平面点阵内的各阵点用两组使它们发生周期性重复的平移矢量联接，则整个平面点阵将被划分成一系列排列的平行四边形，称平面格子平面点阵的单元平面点阵与平面格子•平面点阵（二维点阵）ba分布于三维空间内的点阵单位向量为、、空间格子把空间点阵内的各阵点用三组使它们发生周期性重复的平移矢量联接，则整个空间点阵被划分成一系列平行并置的平行六面体，构成空间格子空间点阵的单元•空间点阵（三维点阵）bacIII单晶和多晶•单晶–为一个空间点阵所贯穿的一整块固体•多晶–整块固体不仅为一个空间点阵所贯穿–由许多小的单晶体按不同的取向聚集而成的固体。–金属材料及较多的粉状物质素格子（素单位）复格子（复单位）每个格子单位的点阵点数目•每个空间格子单位占有的点阵点数：格子N内—格子内的阵点数N棱—棱上的阵点数N顶点—顶点上的阵点数82顶点面内NNNN阵点数目=1阵点数目≥22、点阵、格子、结构基元（2）格子2、点阵、格子、结构基元（3）结构基元•点阵结构中每个点阵点所代表的具体内容•包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构•通常是晶体的周期重复最小的部分•可以是单个原子或分子，也可以是离子团或多个分子•一个Cu原子•二个C原子•三个Se原子•相邻的一个Na+和一个Cl-•-CH2-CH2-平面格子一个阵点一个CuCuCu的点阵•平面格子–一个阵点–一个Na+和一个Cl-NaClNaCl的点阵?石墨石墨的点阵平面格子•一个阵点•二个C硼酸•平面格子•一个阵点•二个硼酸分子NaClNaCl点阵及空间格子每个阵点：一个Na+和一个Cl-CsClCsCl点阵及空间格子每个阵点：一个Cs+和一个Cl-（3）结构基元•结构基元与阵点的关系–结构基元是每个阵点所代表的具体内容，指重复周期中的具体内容–阵点是一个抽象的点，是一个结构基元抽象出的一个几何点•若在晶体点阵中各阵点的位置上按同一种方式安置结构基元，则–晶体结构＝点阵十结构基元2、点阵、格子、结构基元（4）十四种空间点阵型式•据晶体点阵结构的对称性，将阵点在空间分布按正当单位形状的规定和带心型式进分类，共14种型式•最早(1866年)由布拉维推得，又称布拉维点阵或布拉维点阵型式•所在晶体均可分别用以上14种空间点阵来描述其原子排布规则14种空间点阵形式练习：计算面心（F）立方格子的阵点数？•由于选择单位矢量不同，空间点阵中可构成多种平行六面体•布拉维法则：用于多种平行六面体中，挑选出一个能代表点阵特征的平行六面体。•(i)平行六面体对称性和点阵对称性一致•(ii)平行六面体各棱之间直角数目尽量多•(iii)遵守以上两条后，平行六面体体积尽量小2、点阵、格子、结构基元（5）布拉维(Brarisa)法则•、、、α、β、γ•布拉维法则限制下所划分的平行六面体的边长、、及夹角α、β和γbacbac2、点阵、格子、结构基元（6）点阵参数1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识（1）晶胞（2）研究晶体结构的实质（3）晶面（4）晶棱（5）晶体与点阵的对应关系晶胞参数表示空间格子对应实际晶体的部位，则称为晶胞。是晶体的基本重复单位晶胞参数：描述晶胞的大小和形状晶胞中三个基本向量（晶胞构型的边长、三个方向的重复周期）a、b、c三个方向的夹角α、β、γbc＝αac＝βab＝γ晶胞参数=点阵参数3、空间点阵与晶体（1）晶胞晶体结构=点阵+结构基元=平行六面体（空间格子）+结构基元=点阵参数(、、、α、β、γ)+结构基元=晶胞bac3、空间点阵与晶体（2）研究晶体结构的实质•晶胞是晶体的基本重复单位•整个晶体是按晶胞在三维空间周期地重复排列，相互平等取向，按每一顶点为8个晶胞共有的方式堆砌而成•只要清楚一个晶胞的结构，则清楚整个晶体的结构•研究晶体→研究晶胞空间点阵中的平面点阵所构成的平面，在晶体外形上表现为晶面3、空间点阵与晶体（3）晶面两平面点阵的交线是直线点阵，在晶体外形上表现为晶棱3、空间点阵与晶体（4）晶棱空间点阵（无限）空间格子阵点点阵单元平面点阵直线点阵点阵参数晶体（有限）具体抽象晶格结构基元晶胞晶面晶棱晶胞参数3、空间点阵与晶体（5）晶体与点阵的对应关系1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识（1）晶胞二个要索（2）微粒的分数坐标（3）晶面及晶面指数（4）干涉指数及晶面间距4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标（1）晶胞二个要索•晶胞的大小、型式–大小：由晶胞参数确定–型式：指晶胞是素晶胞还是复晶胞•素晶胞：含一个结构基元，对应简单格子•复晶胞：含一个以上结构基元，对应带心格子•晶胞的内容–晶胞中微粒（原子、分子或离子）的种类和位置–表示原子位置要用分数坐标解：I、实线格子（1）晶胞的大小•立方面心格子a＝b＝c，α=β=γ＝90•立方面心格子对应的立方面心点阵参数a＝0.564nm–立方面心点阵参数a＝b＝c=0.564nm，α=β=γ＝90•点阵参数=晶胞参数•晶胞参数为a＝b＝c=0.564nm，α=β=γ＝90•例：图为NaCl的两种空间格子（实线和虚线），实线格子为立方面心格子，其对应的立方面心点阵参数a＝0.564nm。•求：确定二种NaCl晶胞的大小和型式解：I、实线格子（2）晶胞的型式–实线格子为复格子–实线格子对应的晶胞为复晶胞82顶点面内NNNN素晶胞?复晶胞？素格子?复格子？格子占有阵点数？488260•例：图为NaCl的两种空间格子（实线和虚线），实线格子为立方面心格子，其对应的立方面心点阵参数a＝0.564nm。•求：确定二种NaCl晶胞的大小和型式结构基元数目？解：II、虚线格子（1）晶胞的大小•点阵参数–a’＝b’＝c’=?–α’=β’=γ’＝？•点阵参数=晶胞参数•晶胞参数为a＝b＝c=0.386nm，α=β=γ＝60•例：图为NaCl的两种空间格子（实线和虚线），实线格子为立方面心格子，其对应的立方面心点阵参数a＝0.564nm。•求：确定二种NaCl晶胞的大小和型式nma386.0546.0222260解：II、虚线格子（2）晶胞的型式–实线格子为素格子–对应的晶胞为素晶胞•例：图为NaCl的两种空间格子（实线和虚线），实线格子为立方面心格子，其对应的立方面心点阵参数a＝0.564nm。•求：确定二种NaCl晶胞的大小和型式82顶点面内NNNN1882001、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识（1）点阵（2）格子（3）结构基元（4）十四种空间点阵型式（5）布拉维法则（6）点阵参数1.点阵一组无限的点，连接其中任意两点可得一向量，将各个点按此向量平移能使它复原，凡满足这条件的一组点称为点阵平移必须按向量平行移动，无丝毫转动点阵中每个点具有完全相同的周围环境2.点阵分类直线点阵、平面点阵、空间点阵1.格子素格子（素单位）复格子（复单位）2.每个空间格子单位占有的点阵点数82顶点面内NNNN1.结构基元点阵结构中每个点阵点所代表的具体内容可以是单个或多个原子、分子、离子团通常是晶体的周期重复最小的部分2.结构基元与阵点的关系结构基元是每个阵点所代表的具体内容，阵点是一个结构基元抽象出的一个几何点3.晶体结构＝点阵+结构基元1、晶体2、点阵、格子、结构基元3、空间点阵与晶体4、晶胞中的微粒、晶棱和晶面指标5、晶系2.1晶体几何学基本知识