電子能量損失譜(EELS)在研究碳材料中的應用

（來源：「carboncatalysis」）

電子高能損失譜中的內殼層電子電離譜含有未佔有狀態密度等有關電子狀態的信息，可以進行各種材料的電子結構與成鍵的分析。

碳是催化化學中最常見的元素或材料，除了各種用作載體的碳材料外（活性炭、石墨、工業炭黑、納米碳管及類金剛石材料等），催化劑上還經常有反應過程形成的積碳。有非晶無序的，也有半石墨化的積碳。在實驗上通常用電子能量損失譜的電離峰近邊精細結構來判斷碳材料中的碳鍵形態。

圖1 金剛石（a）和石墨（b）晶體結構模型

眾所周知，碳可以形成金剛石（sp3）、石墨（sp2）、非晶（sp3及sp2混合）及各種納米碳等不同結構的材料。

金剛石具有圖1-a所示的金剛石型晶體結構，碳原子與周圍的4個碳原子結合（sp3雜化，4配位）。這時的C-C結合為σ鍵。利用EELS分析金剛石材料能觀察到由激發1s電子躍遷至σ*反鍵軌道而產生的損失譜。

石墨具有如圖1-b所示的石墨型晶體結構（六邊形層狀結構），Ｃ與同一層面上的三個Ｃ原子結合（sp2雜化，3配位）這時C-C鍵也是σ鍵，結合能與金剛石的σ鍵的結合能一樣，但是碳原子本應該有四個結合鍵，對於3配位來說，還剩餘一個結合鍵，這個鍵與六邊形層面外相鄰C原子結合，形成π鍵。因此用EELS分析石墨時，在K電離峰升起的能量位置首先可以在284 eV處觀察到對應於π鍵的π*峰。還可以在291 eV處觀察到σ*峰。

從圖1-b的石墨晶體結構看出，石墨是各向異性的晶體。σ鍵和π鍵方向垂直。這一各向異性也反映在電子能量損失譜上。當入射電子束平行或者垂直於石墨的c軸時，譜中心σ *與π*峰的相對強度上變化顯著（圖2）。

對於非晶碳材料，在π*的位置上可以測量到很小的峰，這表明它只含有少量的3配位鍵。另外σ *能量位置上的峰變得很寬，這表明σ鍵的原子間距不是一定的。對於金剛石材料如果能在其高能損失譜觀察到π*峰則可以確定在其晶界或晶格有缺陷處有3配位的C原子。

圖2 非晶碳、金剛石和石墨的電子能量損失譜。因為石墨結構各向異性，電子束平行c軸和垂直c軸的損失譜顯現明顯不同的近邊峰精細結構。

節選自《現代催化研究方法新編》第二章 辛勤，羅孟飛，徐傑主編

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