X射线吸收精细结构（X-ray Absorption Fine Structure,XAFS）技术是研究复杂组分体系中特定元素近邻配位结构的重要手段之一，广泛应用于能源材料、化学、物理学等领域。该技术具有元素分辨、无损探测等优点，其原理是通过分析X射线被物质吸收前后的信号变化来解析材料中特定元素的结构，可精确地测定固、液、气等不同形态物质中配位原子的种类、配位数、键长等定量的局域结构信息。由于其出色的元素分辨能力，该技术尤其适用于复杂体系中元素的近邻局域结构、价态等的分析。目前XAFS技术是国际上研究元素局域结构和价态等最先进的实验手段之一。
中国科学院上海应用物理研究所团队基于近20年大科学装置X射线谱学研究经验，搭建了集研发、销售、测试、分析为一体的SuperXAFS台式X射线吸收谱仪研发平台。旨在为用户提供谱学研究的一站式服务，满足用户对XAFS技术应用的需求。目前平台已完成十余项国家、省部级项目研发，拥有专利二十余项。利用平台核心技术，研发团队已经推出了台式X射线吸收谱仪SuperXAFS系列产品，该系列凭借高质量的X射线，极佳的能量分辨率以及超精密的联动扫描系统，为用户提供了媲美同步辐射XAFS的实验数据。
中能X射线吸收谱仪SuperXAFS-T2000是目前国内唯一中能台式XAFS谱仪供应商，产品入选了中国科学院条件保障与财务局组织编录的2022年度《中国科学院自主研制科学仪器》产品名录。该谱仪可以覆盖的能量范围低至2keV（国际唯一），可以满足特定元素如磷、钾、钙以及4d金属L边和锕系元素M边的测试，为环境、核能、材料等领域的用户提供测试能力。
图1. 中能X射线谱仪SuperXAFS-T2000
硬X射线吸收谱仪SuperXAFS-H3000除了拥有高至20keV的宽能谱范围，极低的探测浓度阈值（0.5%浓度），还配备了X射线发射谱（XES）模式，实现了在一台仪器上的多功能检测方式。除此之外，该谱仪还为了使用户操作更加简便，配备了快速切换测量、多样品自动采集、远程实时监控等功能，以及可定制的原位环境，为用户研究提供高质量的测试数据和便捷的测试流程。
图2. 台式硬X射线吸收谱仪SuperXAFS-H3000
此外，团队共享测试平台还配置了easyXAFS 300+型号吸收谱仪和Sigray QuantumLeap V210型号发射谱仪，为有需要的用户提供测试以及数据分析等服务。
应用案例
Nat. Commun. :原位形成π-共轭的二维铀有机骨架进行超选择性铀分离
核能，由于其高能量密度和低碳污染，因此被视为一种有效的替代能源。然而，核能的可持续发展仍然受到铀短缺和供应链不足的严重制约。因此，开展从旧的或新的来源中分离铀的研究具有重要意义。东华理工大学罗峰团队提出了利用原位形成π-共轭的有机配体与铀结合为二维铀有机骨架结构来实现铀的分离。研究中对五种有机配体进行了筛选，并利用SuperXAFS台式X射线吸收谱仪获得了高质量的铀L边EXAFS数据，通过精细的谱图拟合对铀的配位结构进行了定量解析，发现1,3,5-三甲酰基间苯三酚（H3TFP）是构建铀-有机骨架最佳配体的原因是铀可以和H3TFP形成稳定的平面配位结构，其中键长较短的是UO2的两个U=O键，而键长较长的是铀和H3TFP形成的六个平面U-O键。这种选择性的稳定配位结构使得H3TFP可以对溶液中的铀实现100%的吸附。
图3. UOF-TFP的EXAFS表征结果
Angew. Chem . Int. Ed. : 溴辅助乙烯氧化助力CO2电催化合成三乙醇胺
电化学二氧化碳还原反应具有将大气中过量二氧化碳转化为甲酸盐、乙烯和乙醇等增值产品的潜力。然而，迄今为止，由于缺少能够有效活化二氧化碳和持续增长碳链的最佳电催化剂，反应产物的选择性受到限制，其中产物含碳数最多至四。通过电化学串联反应实现二氧化碳至多碳产物的合成具有重大意义。复旦大学郑耿峰教授团队利用SuperXAFS台式X射线吸收谱仪，通过高质量的EXAFS谱图测试研究了一类金属酞菁（MPc）材料的局域配位结构。研究中发现MPc（M=Fe、Co、Ni）材料呈现出[MN4]的配位结构，这种结构使得NiPc材料在含溴电解液中将乙烯氧化为2-溴乙醇，而在反应的对电极则由FePc将亚硝酸根离子还原为氨，进而和2-溴乙醇反应生成三乙醇胺。而将该反应与CO2还原为乙烯的反应相结合就可以实现将CO2还原为六碳化合物。
图4. MPc（M=Fe、Co、Ni）的EXAFS表征结果（虚线为测试结果，红线为拟合结果）
Angew. Chem . Int. Ed. : 一步法熔盐电刻蚀制备官能团可调控的二维MXene材料
MXene材料凭借其独特的二维层状结构、高导电性和亲水表面，近年来在能源存储和转换领域广受关注。目前二维MXene常用的制备方法为氢氟酸或氟化物-盐酸溶液刻蚀法，常引入影响材料导电性的–F官能团；近年来报道的路易斯熔盐刻蚀法不可避免地在MXene中残留有金属杂志，在后续应用或表面改性过程中必须采用氧化性酸去除。中国科学院上海应用物理研究所王建强研究员团队首创了熔盐电刻蚀方法（MS-E-etching）制备二维层状材料Ti3C2Tx（T=O、S），并在SuperXAFS台式X射线吸收谱仪的帮助下，通过精细的Ti K边XANES测试，对熔盐电刻蚀的反应机理进行了研究。测试结果显示Ti3C2Tx的峰位相比Ti3AlC2明显向高能方向偏移，证明了反应过程中Ti被氧化；而从谱图结构上分析可以看出，两个样品的峰的近边特征相近，而和Ti foil以及TiO2相差很大，因此证明在熔盐电刻蚀前后Ti的局域结构保持一致。从谱图结果可以推断出熔盐电刻蚀的机理是在Ti3AlC2相氧化过程中，由于Ti-Al键比Ti-C键弱，Al原子选择性地与熔盐中的Cl-结合形成AlCl3。450℃时AlCl3的挥发为Al原子向外扩散提供了动力。继续在该体系中添加Li2O/Li2S，利用高温下官能团的替代反应就获得了含–O/–S等多种官能团的MXene。其中–O官能团修饰的Ti3C2在1M H2SO4溶液中表现出优异的电化学性能。
图5. 熔盐电刻蚀前后的XANES表征结果
参考文献
[1] Nat. Commun. 2024,15,453
[2] Angew. Chem . Int. Ed. 2023,e202212733
[3] Angew. Chem . Int. Ed. 2021,e202110640
SuperXAFS系列谱仪的优势：
[1] 超宽的能量测试范围：能量范围覆盖2keV-20keV，可以满足3d元素到锕系元素的测试需求；
[2] 超高的灵敏度：检测浓度低至0.5%；
[3] 多功能测试：SuperXAFS谱仪可配置荧光模式/XES模式，利用一台谱仪实现多种测试功能；
[4] 细致的用户定制服务：可根据用户需求进行针对性定制，包括不限于原位样品环境、多样品自动切换功能、不同的X射线源选择等；
[5] 高质量样品测试及数据分析服务：研究团队利用逾20年X射线吸收谱测试经验，为用户提供高质量的样品测试服务以及数据分析。