XPS能得到什么？又如何分析？

來源：材料科學圈

聚焦XPS技術，將概述其定義與光電子效應原理，以及其在電催化材料研究中確認表面元素組成、分析化學價態、解析電子相互作用及驗證表面穩定性的核心價值。讀者可通過本文了解到樣品制備和譜圖測試等實操步驟、論文的應用案例和常見誤區。

XPS的核心定義與原理

什么是XPS：X 射線光電子能譜（XPS）是指利用單色 X 射線（如 Al Kα、Mg Kα）照射材料表面，激發表面原子的內層電子（光電子）逸出，通過檢測光電子的動能與強度，分析材料表面（通常深度 1-10 nm）的元素組成、化學價態及電子相互作用的表征技術。

光電子動能公式：XPS 的理論基礎是光電子效應，即光子能量被原子吸收后，內層電子獲得能量克服結合能逸出，其核心公式為：

其中：

E

hv

E

E

E

XPS中的結合能定義

為什么XPS至關重要？

在電催化材料研究中，XPS 的重要性體現在元素組成確認、化學價態分析、電子相互作用解析、表面穩定性驗證四個核心維度，這些維度直接關聯 “活性位點本質” 與 “催化反應機制” 的揭示。

1.表面元素組成確認：電催化材料的性能常依賴 “多組分協同”（如本文中 Cu?S?與 PTA 的協同），而 XPS 是確認表面是否存在目標組分的直接手段

2.化學價態分析：電催化活性位點的價態直接決定其對反應中間體的吸附能力（如 NO??、NO?*），XPS 通過結合能偏移可精準分析價態

3.電子相互作用解析：多組分催化劑的協同效應本質是 “電子轉移”（如本文中 PTA 向 Cu?S?轉移電子），XPS 通過結合能偏移可直接觀測這一過程

4.表面穩定性驗證：電催化材料在長時間反應后，表面可能發生價態變化或組分流失，XPS 是驗證表面穩定性的關鍵

如何用好XPS？

我們將利用AEM期刊的一項工作深入剖析這一概念，揭示其如何成為從原子層面理解催化機制的 “核心工具”。

在《

Sub-Nanometer-Scale Cu

S

Enables Efficiently Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

XPS的關鍵分析方法：從“樣品制備”到“數據擬合”的實操步驟

XPS 的價值不僅在于 “測譜圖”，更在于 “精準解讀電子態信息”。完整的 XPS 分析流程包括樣品制備、譜圖測試、數據校準、分峰擬合、結果驗證五個步驟。

1.樣品制備：避免 “表面污染” 與 “電子態改變”

XPS 的表面敏感性使其對污染（如碳污染、水吸附）極為敏感，樣品制備需遵循 “潔凈、無損傷” 原則：

潔凈處理：樣品需去除表面油污、殘留前驅體，可通過離心洗滌（如乙醇、去離子水）、真空干燥（避免高溫導致價態變化）處理。本文中 Cu?S?樣品需在手套箱或真空環境中轉移至 XPS 樣品臺，避免空氣中的 O?、CO?吸附；

導電性處理：絕緣樣品（如氧化物、硫化物）需噴金或貼導電膠帶，避免表面電荷積累導致結合能偏移。

樣品厚度：粉末樣品需均勻鋪展，厚度 > 10 μm（避免 X 射線穿透至樣品臺，產生背景信號）；薄膜樣品需確保覆蓋基底，避免基底元素干擾。本文中三種 Cu?S?樣品均為粉末，鋪展厚度一致，確保數據可比。

2.譜圖測試：參數設置影響數據分辨率

XPS 測試參數需根據分析目標調整，核心參數包括X 射線源、掃描模式、通能（Pass Energy）、步長：

X 射線源：Al Kα（1486.6 eV）適用于多數元素，分辨率高；Mg Kα（1253.6 eV）適用于輕元素（如 C、O），但強度較低。本文中需分析 Cu、S、W、P，選擇 Al Kα 合理；

掃描模式：全譜掃描（Survey Scan）用于元素定性，步長 0.5-1.0 eV，通能 100-150 eV；高分辨掃描（High-Res Scan）用于價態分析，步長 0.05-0.1 eV，通能 10-50 eV（通能越低，分辨率越高）。本文中 Cu 2p、S 2p 采用高分辨掃描（步長 0.05 eV，通能 20 eV），確保峰形清晰；

掃描范圍：全譜掃描范圍通常為 0-1200 eV（覆蓋多數元素的結合能）；高分辨掃描范圍需覆蓋目標峰（如 Cu 2p 為 920-960 eV，S 2p 為 155-170 eV）。

3.數據校準：消除 “電荷偏移” 與 “儀器誤差”

XPS 結合能的準確性依賴校準，核心校準方法為C 1s 校準（因表面碳污染普遍存在，且 C-C 鍵的 C 1s 結合能固定為 284.8 eV）：

若樣品表面無碳污染（如本文中 NCs 可能因合成方法不同無碳殘留），可選擇其他已知元素校準（如 O 1s 的吸附氧為 532.0 eV）；

校準步驟：先測試全譜，找到 C 1s 峰，將其結合能校正為 284.8 eV，再對其他元素的峰進行同步校準。本文中三種樣品的 C 1s 峰均校準為 284.8 eV（圖 S7），確保 Cu 2p、S 2p 的結合能數據可比。

DOI：10.1002/anie.202403023

4.分峰擬合：解析 “重疊峰” 與 “價態比例”

多數元素的 XPS 峰存在重疊，需通過分峰擬合提取準確信息，核心步驟為：

選擇擬合函數：通常采用 “洛倫茲 - 高斯混合函數”（Lorentzian-Gaussian，L-G 混合比 70:30 或 50:50），因 XPS 峰形兼具洛倫茲峰（自然寬度）與高斯峰（儀器寬化）特征；

固定分裂能：對于自旋 - 軌道分裂的峰，擬合時需固定分裂能，僅調整峰面積、半峰寬與結合能；

約束峰形：同一元素的不同價態峰（如 Cu?與 Cu?）需約束半峰寬一致，避免人為誤差。本文中 S 2p 譜圖（圖 3c）通過分峰擬合，區分了 S2?（161.8 eV）與表面吸附 S（164.0 eV），計算得 SNWs 中 S2?的比例更高，證明其表面更純凈。

DOI: 10.1038/s41467-025-63637-2

5.結果驗證：結合其他表征交叉印證

XPS 的結果需與其他表征（如 XRD、TEM、電化學測試）結合，避免 “單一數據誤判”：

若 XPS 顯示 Cu 為 Cu?，XRD 需匹配含 Cu?的物相；

若 XPS 顯示 PTA 與 Cu?S?存在電子轉移，TEM 需觀測到 PTA 與 Cu?S?的共組裝結構（如本文中 SNWs 的 0.95 nm 尺寸），DEMS 需觀測到 NO??吸附增強（m/z=62 信號變化），形成完整證據鏈。

DOI： 10.1002/anie.202403023

XPS的常見誤區

誤區 1：結合能偏移僅由價態變化導致

真相：結合能偏移可能由“價態變化”“晶場效應”“電荷積累” 三種因素導致，需區分：

價態變化：如 Cu?→Cu?，結合能從 932.6 eV→932.1 eV（負移，因正電荷減少）；

晶場效應：同一價態的原子在不同晶體結構中，配位環境不同導致結合能偏移（如本文中 SNWs 的非完整晶體結構可能導致 Cu 2p 輕微偏移）；

電荷積累：絕緣樣品未消除電荷，導致結合能整體偏移（如所有峰均正移或負移）。本文中 Cu 2p 偏移僅 0.1-0.3 eV，且無整體偏移，證明主要由價態 / 電子環境變化導致，非電荷積累。

誤區 2：XPS 峰面積比 = 體相元素比

真相：XPS 峰面積比反映 “表面元素比”（1-10 nm 深度），而非體相比，需與 ICP-MS（體相分析）結合：

若材料表面存在元素富集（如本文中 SNWs 表面 PTA 富集），XPS 的 W/P 比會高于體相；若表面存在元素流失（如 NWs 表面 S 流失），XPS 的 S/Cu 比會低于體相；

本文中 XPS 的 Cu/S 比接近 9:5（體相 Cu?S?的比例），證明表面無明顯 S 流失，排除 S 流失導致的活性下降。

誤區 3：忽略表面污染的影響

真相：表面碳污染（C 1s）、氧吸附（O 1s）會干擾峰形與定量分析，需嚴格校準與扣除：

碳污染：C 1s 峰需校準為 284.8 eV，且分峰擬合時需扣除 C-O、C=O 峰（286.0 eV、288.5 eV），避免干擾其他峰（如 P 2p 與 C 1s 的重疊）；

氧吸附：O 1s 峰需區分吸附氧（532.0 eV）與晶格氧（如 PTA 中的 O，530.5 eV），本文中 SNWs 的 O 1s 峰可分為 PTA 的晶格氧與表面吸附氧，證明 PTA 的存在。

總結展望

本文以 XPS 為核心，從原理、方法到應用，系統解析了這一表征技術的價值。在《Sub-Nanometer-Scale Cu?S?》的研究中，XPS 不僅是 “確認表面元素與價態” 的基礎工具，更是揭示 “電子轉移機制” 與 “活性位點本質” 的核心手段。

對于電催化研究者而言，掌握 XPS 的關鍵在于 “從結合能偏移中讀懂電子轉移，從峰形變化中識別價態演變”，并將 XPS 與原位表征（如原位 XPS、原位 Raman）結合，動態觀測催化過程中的表面電子態變化。未來，隨著原位 XPS 技術的發展（如液體原位 XPS），將能更真實地模擬電解液環境下的表面反應，為電催化材料的精準設計提供更直接的指導。

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