WM球：单分散的中空SiO₂的研究

引言

生产明确结构和高单分散性纳米颗粒的能力使得开发各种新型功能性材料成为可能。这种材料在能量转化、能源存储、催化和分离等领域有潜在的应用。1

这些颗粒可以合成致密球体的形式，但Z近空心、核壳型颗粒也引起了极大的研究兴趣。这种颗粒可以通过自上而下或自下而上的方式产生。无论采用哪一种方法，在结构或尺寸上偏离均匀性（多分散性）都不利于所期望的性能。因此，获得快速而准确的表征方法来测量这些材料的尺寸是非常重要的。

小角X-射线散射（SAXS）是表征这中颗粒体系形状和尺寸的有效方法2。虽然测量较小颗粒的尺寸（<200 nm）相对容易，但是在实验上测量较大纳米结构就比较困难，特别是在实验室SAXS设备的条件下。实验室仪器的Z 新进展已经推动了可以用SAXS研究的结构尺寸的上限到显著更大的尺寸。

这里我们展示的是用Anton Paar的SAXSpoint 5.0设备测量尺寸大于200 nm的中空 SiO2 球。有两个不同，明确的长度尺寸（整体尺寸和壳厚度）使得可以使用这种材料作为不同散射方法，如SAXS的参考材料。               

实验细节和结果

     SiO₂空心球粉末样品由Martin Dulle (Forschungszentrum Jülich,Germany) 提供。这些颗粒是经过三步合成的。合成细节可以参考相关的文献。

       使用Anton Paar的SAXSpoint5.0进行SAXS测试。系统配备了Primux 100 micro 微焦斑铜靶X-射线源（λ=0.154nm）和Dectris的EIGER2 R 1M 探测器。测量是在无光束遮挡器配置下进行的。

仪器采用高分辨模式，样品到探测器的距离SDD仅有1630mm。使用收到的粉末样品并控制测试温度为25°C。收集0.01 nm-1<q<1.84 nm-1（q=4π/λ*sin2θ）范围内的数据并进行评估。样品的2D散射图q-曲线如图1所示。

图 1: 中空二氧化硅球的2D 散射图样

测量的2D散射图样（样品和背景）径向积分得到1D散射曲线。由此产生的曲线在扣除背景（Kapton窗口）前使用样品透射数据来校对。粉末SiO2背景扣除后的散射曲线如图2所示。

图 2: 扣除背景后的 SAXS 曲线

将扣除背景的SAXS 曲线进行进一步的数据评估。为了描述接收到的散射函数，使用一个更复杂的形状因子模型。见原始文献所述1：

R 为核的半径， DR 为壳的厚度

图3所示的是拟合和测量结果。根据拟合函数,计算得到的颗粒半径为116 nm(dparticle=232 nm)和壳厚度为15.4 nm。这个结果与文献中的结果完 美契合。1

图3: SiO2的散射数据 (黑) 和采用球状核壳模型拟合得到的结果(红)。

结论

所有光束组件（X-射线源，X-射线多层膜聚焦镜和准直系统）的智能交互，与紧凑的SAXSpoint 5.0系统的高分辨探测器EIGER2 R HPC相结合，在分辨率和X-射线通量方面具有非常高的性能。

SAXSpoint 5.0精密的光束设计特点使得从光学器件到探测器的整个光束路径具有较小的占地面积和高的光通量。两者的结合可允许Z 高分辨率高达0.007 nm-1下测量。

参考文献

1、Ruckdeschel, P.; Dulle, M.; Honold, T.; Förster, S.; Karg, M.;Retsch, M., Monodisperse hollow silica spheres: An in-depth scattering analysis. Nano Re- search 2016, 9 (5), 1366-1376.

2、Schnablegger, H.; Singh, Y., The SAXS Guide - Getting acquainted with the principles. 4th ed.; Anton Paar GmbH: Graz, Austria, 2017.