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，隨著電力工業的發展和對環保要求的日益提高，催化劑材料在火電廠排放系統中的應用越來越普遍。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可以區分同素異構體，因金紅石和銳鈦礦的晶體結構不同， 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構及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：標準曲線法和全譜擬合無標定量法。
一、標準曲線法

標準曲線法定量分析的基本原理是衍射峰的強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準樣品，確定衍射峰強度和含量的線性關系，從而實現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， 其強度與金紅石的含量成正比。根據衍射峰強度和含量的對應關系我們可以繪制標定曲線（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到0.4%。如果延長測量時間，可以進一步降低檢出限。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（插圖為衍射強度與金紅石含量的標定曲線）

對于標準曲線法，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、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、晶粒尺寸等信息。

三、標準曲線法和全譜擬合無標定量法的比較

1、標準曲線法

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樣

3）特別適合于低含量的檢測

4）測試結果易受擇優取向的影響，對制樣要求高

2、全譜擬合無標定量法

1）測試速度慢（需要測全譜）

2）無需標樣

3）除了含量外，還可以同時提供晶胞參數、晶粒尺寸、微觀應變等信息

4）測試結果受擇優取向的影響較小，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的結構（對于特殊的樣品，比如存在非晶態相或者部分或未知結構，需要構造PONKCS結構來輔助分析）

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（標準曲線法）和TOPAS BBQ（全譜擬合無標定量法）

3）自動進樣器（選配）：若配置自動進樣器，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，然后點擊預設好的“一鍵測試”按鈕，設備會自動測試，測試完畢自動分析，并將結果展示在測試軟件上，同時生成統計表格，方便測試人員匯總多個樣品的測試結果；

2）高效、高重復性、節省測試人員和時間；

3）無需手動進行繁瑣的計算和分析，無需太多的專業知識即可快速上手；

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

-轉載于《布魯克X射線部門》公眾號