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打起來了，又是因為XPS，好可怕，好刺激！

來源：測試GO 時間：2021-12-09 23:11:05 瀏覽：4225次

對于化學人和材料人而言，X射線光電子能譜（XPS）是做科研必不可少的研究工具，它被廣泛地用來研究物質的元素組成，價態和含量等信息。然而，它在使用中存在很多的誤區，一不小心你的論文可能就會被審稿人和讀者“Diss”。最近，Journal of materials chemistry A上的作者們就因為XPS“打起來了”，本戰地記者為大家在學術戰場上帶來最新的現場報道！

首先我們來到“政府軍”這邊，讓我來采訪一下巴西“Universidade Federal do Rio Grande do Sul”大學的“Alisson S. Thill”。

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圖1 Alisson S. Thill的研究成果

Alisson S. Thill：

女士們，先生們，大家好啊！當今社會，能源危機和環境污染十分嚴重，為了人類的未來，我們在攻克光催化產氫的道路上費盡心力，終于取得了新進展！

有些人的研究發現，“光催化產氫活性”與“氧空位”有關，“他們倆”有著密切的關系！有人也注意到，“光催化產氫活性”與“介孔結構”也有關，“他們倆”也時常約會！但是很少有人讓他們三者湊到一起，看看他們三個到底什么關系。我最討厭三個人曖昧不清！讓我看看你們在搞什么鬼！

經過本人對CeO₂光催化劑詳細深刻的研究，先正式宣布他們三個的關系如下^[1]：

（1）無論介孔是否存在，表面的氧空位都對光催化產氫活性有著重大的影響；

（2）存在介孔時，光催化活性隨著氧空位濃度的提高而提高；

（3）不存在介孔時，光催化活性隨著氧空位濃度的提高而降低。

本文的一大關注點就是表面氧空位的濃度，因此本人使用XPS和X射線吸收光譜（XAS）定量分析了氧空位的含量。對于CeO₂而言，氧空位缺陷的形成方程如下：

因此，氧空位的形成也可以認為是Ce₂O₃摻雜進入了CeO₂引起的。據此，通過測定Ce³⁺的含量就能知道氧空位的含量。

根據Le Normand和Burroughs等人的研究結果，Ce 3d的能譜可以用10個參數描述（如圖1），它們分別與Ce³⁺（u₀, v₀, u'和v'）和Ce⁴⁺（u, v, u'', v'', u'''和v'''）有關。因此，Ce³⁺的含量可以從其所占的峰強度比例獲得：

圖2 Ce 3d的分峰結果

根據分峰擬合的結果，不同樣品中Ce³⁺的含量略有不同，大約在0.20-0.29。

圖3 Ce³⁺的含量

“砰！砰！砰！”

就在我們的采訪剛剛結束之時，反對派領導，意大利人“Ernesto Paparazzo”就拉著他的“意大利炮”對“Alisson S. Thill”連轟了三炮。好可怕，又好興奮，這是怎么啦？我們迫不及待地去采訪了“Ernesto Paparazzo”。

圖4 Ernesto Paparazzo的“意大利炮”

Ernesto Paparazzo：

咳，最近呢，我閑來無事，便讀了一些文獻消遣下。突然發現，Thill等發表了一篇論文，詳細研究了CeO₂材料中介孔與氧空位之間的耦合關系對光催化產氫性能的影響。其實產氫如何我才懶得管呢，我只對“氧空位”感興趣！在這篇論文里，Thill等采用XPS技術獲得了Ce 3d譜，從而分析得到了Ce³⁺和氧空位的濃度。巧了，XPS技術我也懂“億點點”！

本來吧，作為意大利人，我只是一個“吃意大利面群眾”！但我一看不打緊，氣死我啦，二營長，快把我的“意大利炮”拉過來！^[2]

第一炮：你說你是根據Le Normand的研究結果來進行峰形擬合并計算Ce³⁺的含量的，但是你看，圖5中人家與Ce³⁺相關的峰的強度比Iv⁰/Iv’為0.55，你的結果僅為0.1左右（圖2），相差也太遠啦，你這樣計算肯定不行！

圖5 Le Normand論文中CeO₂和Ce₂O₃材料中Ce 3d5/2的峰形^[3]

第二炮：Thill，你可能會說，盡管我的V⁰可能會錯誤地低估了，但此時V’也被錯誤地高估了，因此可能最終結果差不多。但是我還是要說，你錯啦！你在論文中說，你的材料中Ce³⁺的含量在0.20-0.29之間。那么，根據Henderson等人的研究結果，你的Ce 3d5/2的峰形（圖2）應該和圖6中的曲線c和d類似啦。但是：①你的曲線沒有出現V’峰的造成的鼓包；②低結合能處也沒有V⁰引起的寬化。相反地，你的曲線到和圖6中的b很相似，表明你材料中Ce³⁺的含量可能在0.1左右，誤差高達100%到190%！因此，我認為你在擬合XPS的時候忽視了Ce³⁺的峰形結構。

圖6 單晶CeO₂表面具有不同Ce³⁺含量時的XPS峰形^[4]

第三炮：你說你的材料中Ce³⁺的含量在0.20-0.29之間，為什么不給出具體的值呢？從你的結果來看，即使是在純的CeO₂中Ce³⁺的含量也高達0.20，不應該是0左右嗎，這合理嗎？這和文獻可不一樣哦，也和你的XANES的測試結果不一樣。這可能是因為存在表面荷電現象（影響XPS的峰形），而且你將材料分散在碳膠帶上形成薄層的制樣方式也和別人采用壓片的方式不一樣，表面粗糙度可是會影響測試結果的。我認為你采用XPS測試的Ce³⁺的含量是不準確的，高估了Ce³⁺的含量，主要原因就是擬合使用的Ce³⁺的線形不對。實際上，采用XPS對Ce³⁺的含量進行定量分析，影響因素有很多：

（1）材料的形態，是粉末，薄膜還是壓成的片；

（2）定量處理方法；

（3）實驗條件，X射線源是否單色等等；

（4）進行分峰擬合時的條件。

但無論如何，Thill等人的誤差也太大了。

總而言之，作者忽視了Ce 3d的峰形結構，也沒有考察荷電效應對材料峰形的影響，得到的結果不可靠，也就騙騙小孩子。

我的天吶！意大利人Ernesto Paparazzo的正宗“意大利炮”實在是太猛了，頭都被炸暈了。Alisson S. Thill怕不是要完了吧，攝像，快跟我走，我們去看看Alisson S. Thill去~

Alisson S. Thill：同志們，不要慌，準備反擊！

圖7 Alisson S. Thill的反擊

第一，我們在擬合Ce 3d的XPS峰時嚴格遵照了以下的規則：

（1）Ce³⁺（u₀, v₀, u'和v'）和Ce⁴⁺（u, v, u'', v'', u'''和v'''）的10個組分峰的結合能位置是固定的，因此ΔE也是固定的；

（2）組分峰的半高寬（FWHM）都是一致的；

（3）v⁰/u⁰ 和v⁰/u⁰的強度比固定為1.5；

第二，Ernesto Paparazzo說我們的v⁰/v’僅為0.1，這和Le Normand研究結果中的0.55不一樣。這是因為Le Normand的樣品是純的Ce₂O₃，而我們的是CeO_2-x。此外，在Romeo等人的論文中^[^6]，這個比例還僅為0.04，并不是固定不變的。事實上，我們也將這個比例固定在0.55進行了擬合，發現結果根本不好（圖8b）。

圖8 （a）不固定v⁰/v’和（b）固定比例為0.55時的結果

第三，至于Henderson等研究者的研究結果，Romeo等研究者已經指出他們的研究結果/研究方法并不可靠，尤其在Ce³⁺含量低于30%的時候。此外，關于峰形的問題，也有很多文獻的結果和我們的類似，而不是和Henderson等人一樣。

第四，為什么純的CeO₂中Ce³⁺的含量也高達0.20呢？這是因為我的樣品是購買的直徑為25 nm的納米顆粒，因此表面容易被氧化。此外，XPS是表面技術，探測的深度有限，反應的也主要是表面的結果。對于25 nm的顆粒而言，大約只有5%的Ce在表面，因此整體上的Ce³⁺含量很低，這也是為什么XANES的結果和XPS不一致的原因。至于為什么Romeo等研究者的結果顯示純CeO₂中Ce³⁺的含量只有0.04，因為他用的并不是和我一樣的納米顆粒。

第五，關于荷電效應，我們仔細地對樣品盡量了兩次掃描，發現峰形幾乎沒有任何變化，而且我們也合成了一批樣品在不同的機器上進行了測試，結果也都是一樣的。我們其實在最初論文中的實驗部分詳細描述了這些。

第六，關于制樣問題，本人的原論文是將材料分散在碳膠帶上形成薄層，而不是采用壓片方式。XPS大佬Fadley早就說過^[^7]，對于粉末樣品，上述兩種方法都可以。除了本人的研究外，很多研究也是采用類似的方法制樣的。

第七，為什么XANES和XPS的結果不一樣？一樣才不正常呢，因為它們探測的深度不一樣嘛！很多文獻的結果其實也證明了這點。

總而言之，非常感謝Ernesto Paparazzo教授帶來的討論以及對我們研究結果的興趣。不過，本人的研究結果并沒有什么問題，相關文獻也證明了這一點。謝謝大家的關注，都散了吧！

大佬互毆的學術戰場真的是好刺激，好精彩！其實XPS測試和分析的要求很高，一不小心就可能出現錯誤，大家要在研究中多多注意。更詳細的內容歡迎大家閱讀原文并持續關注我們~

注：本文作者已盡力保證文章的準確性，但水平有限，如果錯誤，以原文為準。為了討論更加方便，本文采用了第一人稱，并加了一些詼諧的語言，并無任何對研究者和學術的不尊重，也無意冒犯任何人。

參考文獻：

[1] A. S. Thill, W. T. Figueiredo, F. O. Lobato, M. O. Vaz, W. P. Fernandes, V. E. Carvalho, E. A. Soares, F. Poletto, S. R. Teixeira and F. Bernardi, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 24752–24762.

[2] Ernesto Paparazzo, J. Mater. Chem. A, 2021,9, 23722-23725

[3] F. Le Normand, J. El Fallah, L. Hilaire, P. Legare, A. Kotani and J. C. Parlebas, Solid State Commun., 1989, 71, 885–889.

[4] M. A. Henderson, C. L. Perkins, M. H. Engelhard, S. Thevuthasan and C. H. F. Peden, Surf. Sci., 2003, 526, 1–18.

[5] A. S. Thill, W. T. Figueiredo, F. O. Lobato, M. O. Vaz, W. P. Fernandes, V. E. Carvalho, E. A. Soares, F. Poletto, S. R. Teixeira and F. Bernardi, J. Mater. Chem. A, 2021,9, 23726-23730

[6] M. Romeo, K. Bak, J. El Fallah, F. Le Normand and L. Hilaire, Surf. Interface Anal., 1993, 20, 508–512.

[7] C. S. Fadley, in Electron Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications, ed. C. R. Brundle and A. D Baker, Academic Press, London, 1978, vol. 2, pp. 2–157.

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