XRD自動測量鈦白粉中金紅石含量

布魯克X射線部門 張玉成

近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展和對環(huán)保要求的日益提高，催化劑材料在火電廠排放系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍。氧化鈦（TiO2）作為脫硝（NOx）催化劑的主要載體材料獲得大量應(yīng)用。氧化鈦的存在兩種主要晶型，金紅石型和銳鈦礦型。而有效的脫硝催化劑材料是銳鈦礦型氧化鈦，這就對材料中的金紅石含量有一定的要求（比如<4%）。所以快速準(zhǔn)確的測量和計算鈦白粉中的金紅石含量是非常重要的。

XRD可以區(qū)分同素異構(gòu)體，因金紅石和銳鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)不同， 其衍射譜圖也不一樣，如圖1所示。

▲圖1：銳鈦礦和金紅石的晶體結(jié)構(gòu)及XRD衍射圖譜

針對鈦白粉中金紅石含量的測定，我們可以提供2種自動化測量及分析方案：標(biāo)準(zhǔn)曲線法和全譜擬合無標(biāo)定量法。
一、標(biāo)準(zhǔn)曲線法

標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量分析的基本原理是衍射峰的強(qiáng)度和物相的含量成正比。為此，我們可以通過一系列的混合標(biāo)準(zhǔn)樣品，確定衍射峰強(qiáng)度和含量的線性關(guān)系，從而實現(xiàn)測量和計算金紅石的含量。在本報告中我們配置了六個不同比例的金紅石和銳鈦礦的混合樣品，其中金紅石的含量分別為0.4%，0.75%，1.0%， 1.5%，2.0%和4.0%。圖2為不同含量金紅石樣品的（110）衍射峰， 其強(qiáng)度與金紅石的含量成正比。根據(jù)衍射峰強(qiáng)度和含量的對應(yīng)關(guān)系我們可以繪制標(biāo)定曲線（如圖2中的局部放大插圖所示）。

在本實驗條件下（每個樣品檢測約3分鐘），金紅石的檢出限可以達(dá)到0.4%。如果延長測量時間，可以進(jìn)一步降低檢出限。對金紅石含量低于4%的樣品，定量分析的誤差小于0.2%，相對誤差小于15%。

▲圖2：不同金紅石含量樣品的（110）衍射峰衍射圖譜（插圖為衍射強(qiáng)度與金紅石含量的標(biāo)定曲線）

對于標(biāo)準(zhǔn)曲線法，目前布魯克公司的MEASUREMENT和DQUANT軟件可以自動完成樣品測試及分析工作，并能夠在軟件上自動顯示金紅石的含量，也可以自動生成表格。

二、全譜擬合無標(biāo)定量法

在某些情況下，只有金紅石的含量還不夠，還需要同時得到其他信息，比如晶胞參數(shù)、晶粒尺寸等，以便比較不同工藝之間的差別。這時，我們可以采取全譜擬合無標(biāo)定量的方法，可以同時得到以上所有信息，如圖3所示。

▲圖3：全譜擬合無標(biāo)定量分析

另外，除了銳鈦礦和金紅石外，如果混合物中還含有其他物相，比如鈦酸鎂、硅酸鹽等，也可以通過全譜擬合無標(biāo)定量的方法，同時得到金紅石和其他物相的含量及晶胞參數(shù)、晶粒尺寸等信息。

三、標(biāo)準(zhǔn)曲線法和全譜擬合無標(biāo)定量法的比較

1、標(biāo)準(zhǔn)曲線法

1）只需測量一個衍射峰，測試速度快（快的話，每個樣品1-2分種就可以完成）

2）建曲線前需要配制不同含量的標(biāo)樣

3）特別適合于低含量的檢測

4）測試結(jié)果易受擇優(yōu)取向的影響，對制樣要求高

2、全譜擬合無標(biāo)定量法

1）測試速度慢（需要測全譜）

2）無需標(biāo)樣

3）除了含量外，還可以同時提供晶胞參數(shù)、晶粒尺寸、微觀應(yīng)變等信息

4）測試結(jié)果受擇優(yōu)取向的影響較小，軟件可以輔助修正

5）分析之前要求精確知道混合物中物相組成及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)（對于特殊的樣品，比如存在非晶態(tài)相或者部分或未知結(jié)構(gòu)，需要構(gòu)造PONKCS結(jié)構(gòu)來輔助分析）

四、可以自動化分析的XRD配置

1）儀器型號：D6 Phaser、D8 Advance、D8 Endeavor （D8 Discover若配置粉末衍射光路，也可以）

2）軟件：DQUANT（標(biāo)準(zhǔn)曲線法）和TOPAS BBQ（全譜擬合無標(biāo)定量法）

3）自動進(jìn)樣器（選配）：若配置自動進(jìn)樣器，可以一次完成至多90個樣品的自動測量及分析，極大提高測試效率

五、布魯克自動化測試及分析方案

1）一鍵操作：只需要裝上樣品，然后點擊預(yù)設(shè)好的“一鍵測試"按鈕，設(shè)備會自動測試，測試完畢自動分析，并將結(jié)果展示在測試軟件上，同時生成統(tǒng)計表格，方便測試人員匯總多個樣品的測試結(jié)果；

2）高效、高重復(fù)性、節(jié)省測試人員和時間；

3）無需手動進(jìn)行繁瑣的計算和分析，無需太多的專業(yè)知識即可快速上手；

4）目前布魯克在水泥、鋼鐵、新能源、礦物、鈦白粉等行業(yè)均有自動化測量及分析方案；對于其他行業(yè)，也可根據(jù)新采購的設(shè)備配置，提供特殊的自動化定制方案。

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