电子废弃物的X射线衍射分析结果

一、实验目的

掌握用X 射线衍射法（XRD）进行物相定性分析的基本原理；熟悉X 射线粉末衍射分析仪的基本结构和工作原理；熟悉D8Advance X 射线衍射仪的使用方法；熟悉基于PDF卡片进行物相检索的原理和相应衍射数据处理软件；掌握压片法样品制备技术。

二、实验原理与仪器结构

1.实验原理

每一种结晶物质都有各自的化学组成和晶体结构。当X 射线照射到晶体时，如果晶体中原子与原子，分子与分子及原子与分子之间的距离，或晶面与晶面之间的距离，与X 射线的波长在同一数量级，就能产生衍射现象。每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d 和衍射线的相对强度来表征。d 与晶胞形状和大小有关，相对强度I／I0与质点的种类及其在晶胞中的位置有关，它们之间的关系遵循布拉格衍射方程：

2dh＊k＊l＊sinθnh＊nk＊nl＊=n·λ

式中，h，k，l为晶面指数，为一组量子化参数；n 为光谱级次。所以任何一种结晶物质的衍射数据d 和I／I0是其晶体结构的必然反映。光利用X 射线衍射仪测定结晶物质的衍射光谱，并与已知标准物质的衍射光谱进行比对，可判定待测物质的化学组成和晶体结构，这就是X 射线粉末衍射法物相定性分析的基本原理。对于多种结晶物质混合的粉末样品，其衍射光谱是每一种晶体物质衍射光谱的简单叠加，互不干扰，相互独立，通过一定的方法与已知大量标准单相物质的衍射光谱（PDF 卡片）进行峰位、峰形及峰强度的逐一比对，就可以判断出粉末试样所包含的晶体种类，完成物相鉴定。

2.仪器结构

X 射线衍射仪主要由以下部分组成。

（1）高稳定度X 射线光管：高压下，高速运动的电子轰击金属靶，使其产生测量所需X射线，改变X 射线管阳极靶材质可改变X 射线的波长（本实验采用Gu靶为辐射光源，λ=1.5406Å），调节阳极电压可控制X 射线源的强度。由于高速电子轰击金属靶时放出大量的热，故X 射线衍射仪必须装备水冷系统。

（2）自动进样器：9位自动进样器可以实现样品自动测试，样品架具有样品及样品位置取向的调整机构系统。样品须是结晶性固体粉末或块状固体。

（3）测角仪：可以对衍射角进行准确测定。

（4）X 射线检测器：检测衍射强度或同时检测衍射方向，通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。

（5）衍射图的处理分析系统：现代X 射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统，使复杂的谱图处理和解析变得自动和智能，极大提高了衍射仪的物相鉴定能力。

D8X 射线衍射仪及其衍射光路如图6-9，图6-10所示。

图6-9　D8X射线衍射仪

图6-10　X射线衍射仪的光路图

X 射线光源发出的线状光束S经S1 梭拉光栏（限制X 射线在垂直方向的发散）和DS发散狭缝光栏（限制X 射线的照射宽度）聚焦后照射到样品上，产生X 衍射线，再经接收狭缝光栏RS、梭拉光栏S2 和防散射光栏SS后，照射到探测器上被检测。由于光栏的限制，除X 衍射线外的杂散射线均被光栏遮挡。

三、实验条件

1.仪器设备

公司D8Advance X 射线粉末衍射仪（铜靶，X-ray Diffraction Analyzer，Bruker）；标准聚酯样品架；循环冷却水仪（北京众合）；稳压电源；玛瑙研钵；载玻片。

2.试剂与样品

无水乙醇；待测样品是经预处理的电子废弃物，磨细备用。(www.xing528.com)

3.测试参数

铜靶X 光管，波长0.154 6nm；管电压为40kV，管电流40mA；步长0.06°，扫描速度0.3°／s；扫描范围10°～90°。

四、实验步骤

1.开机

严格按照顺序开启稳压电源，开水冷系统，打开仪器。待系统启动完毕，开启高压，打开电脑并运行XRD commands（XRD 运行操作）软件，预热20～30min后进行仪器初始化，包括自动进样器初始化、X 光管初始化和探测器初始化。

2.制样

取适量样品研磨至无颗粒感，均匀地装入样品框至样品框满。用载玻片轻轻把粉末样品压紧、压平，尽量使表面光滑均匀，刮去框外多余部分。点击软件上的“load”按钮，使进样器伸展到合适位置，开启仪器自动门锁，将样品按顺序放至进样器上，关闭推门。

3.测试

在测试软件内设置实验参数，包括步长、扫描时间、扫描角度范围等；缓慢加载高压至40kV，电流至40 mA。点击“Start”（开始），开始测量；测试完成后在“File”（菜单）内“Save as”（保存）结果。如果采用自动连续测量，打开“Job”（工作），编辑测试序列，调入已经编号的测试程序，设置数据储存路径，点击“Start”（开始），仪器按程序自动完成测量。

4.关机

取出样品，在XRD Commander（XRD 运行操作软件）中将电压、电流分别降低为20kV和5mA（如已降至初始值，此步无须操作），逆时针将仪器高压旋钮转动30°，关闭高压（仪器顶部四角灯灭），等待5～10min，以便循环水充分冷却X 射线光管，然后关闭仪器电源，最后关闭循环冷却水，关闭XRD Commander（XRD 运行操作软件）软件和电脑。

五、数据处理与谱图解析（物相鉴定）

用谱图分析软件对测出的衍射谱图分别进行基线校正、背景扣除、平滑等处理，进行物相鉴定分析，得出样品所包含的主要物相，将每一物相的鉴定结果列于表中。X 射线粉末衍射法进行物相定性分析的原理是基于以下两点：①任何一种物相都有其特征的衍射谱图；②任何两种物相的衍射谱图不可能完全相同，多相样品的衍射峰是各物相的简单叠加。物相定性分析方法是将样品的衍射谱图与标准谱图进行对照。目前已知的晶体物质有成千上万种，在规定条件下对所有已知晶体物质进行X 射线衍射分析，获得一套所有晶体物质的标准X 射线衍射花样图谱，建立数据库。目前应用广泛的XRD 数据库是国际衍射数据中心推出的PDF卡片库，收集有100万张各物质的衍射数据，并且还在逐年扩展。当对某种物质进行物相分析时，只要将实验所测XRD 结果与数据库中的标准衍射花样图谱进行比对，就可以确定样品的物相。依据PDF卡片库建立的物相检索软件主要有EVA 软件和Jade软件。

六、问题与讨论

1.对实验过程中出现的问题进行分析讨论。

2.简述X 射线衍射分析的特点和应用。

3.简述X 射线衍射仪的工作原理。

4.简述X 射线衍射分析法进行物相鉴定的方法。

七、注意事项

1.由于X 射线对人体有辐射作用，测试进行过程中尽量不要靠近仪器。

2.仪器的工作电压是几十千伏的高压电流，因此环境湿度必须小于60%，且保证接地良好，室内最好无灰尘。

3.测试时仪器的防护门必须关紧，不然点击测试，系统会自动锁死，需三步解锁方能打开。

4.自动进样器的左侧金属条严禁用手触摸，以免样品尘埃沾污，影响位置识别，使测试无法正常完成。

5.样品必须制备成表面光滑的平面，样品架的边缘必须干净，无样品残留。