约束峰形:同一元素的不同价态峰(如 Cu⁺与 Cu⁰)需约束半峰宽一致,避免人为误差。本文中 S 2p 谱图(图 3c)通过分峰拟合,区分了 S²⁻(161.8 eV)与表面吸附 S(164.0 eV),计算得 SNWs 中 S²⁻的比例更高,证明其表面更纯净。
DOI: 10.1038/s41467-025-63637-2
5.结果验证:结合其他表征交叉印证
XPS 的结果需与其他表征(如 XRD、TEM、电化学测试)结合,避免 “单一数据误判”:
若 XPS 显示 Cu 为 Cu⁺,XRD 需匹配含 Cu⁺的物相;
若 XPS 显示 PTA 与 Cu₉S₅存在电子转移,TEM 需观测到 PTA 与 Cu₉S₅的共组装结构(如本文中 SNWs 的 0.95 nm 尺寸),DEMS 需观测到 NO₃⁻吸附增强(m/z=62 信号变化),形成完整证据链。
DOI:10.1002/anie.202403023
XPS的常见误区
误区 1:结合能偏移仅由价态变化导致
真相:结合能偏移可能由 “价态变化”“晶场效应”“电荷积累” 三种因素导致,需区分:
价态变化:如 Cu⁰→Cu⁺,结合能从 932.6 eV→932.1 eV(负移,因正电荷减少);
晶场效应:同一价态的原子在不同晶体结构中,配位环境不同导致结合能偏移(如本文中 SNWs 的非完整晶体结构可能导致 Cu 2p 轻微偏移);
电荷积累:绝缘样品未消除电荷,导致结合能整体偏移(如所有峰均正移或负移)。本文中 Cu 2p 偏移仅 0.1-0.3 eV,且无整体偏移,证明主要由价态 / 电子环境变化导致,非电荷积累。
误区 2:XPS 峰面积比 = 体相元素比
真相:XPS 峰面积比反映 “表面元素比”(1-10 nm 深度),而非体相比,需与 ICP-MS(体相分析)结合:
若材料表面存在元素富集(如本文中 SNWs 表面 PTA 富集),XPS 的 W/P 比会高于体相;若表面存在元素流失(如 NWs 表面 S 流失),XPS 的 S/Cu 比会低于体相;
本文中 XPS 的 Cu/S 比接近 9:5(体相 Cu₉S₅的比例),证明表面无明显 S 流失,排除 S 流失导致的活性下降。
误区 3:忽略表面污染的影响
真相:表面碳污染(C 1s)、氧吸附(O 1s)会干扰峰形与定量分析,需严格校准与扣除:
碳污染:C 1s 峰需校准为 284.8 eV,且分峰拟合时需扣除 C-O、C=O 峰(286.0 eV、288.5 eV),避免干扰其他峰(如 P 2p 与 C 1s 的重叠);
氧吸附:O 1s 峰需区分吸附氧(532.0 eV)与晶格氧(如 PTA 中的 O,530.5 eV),本文中 SNWs 的 O 1s 峰可分为 PTA 的晶格氧与表面吸附氧,证明 PTA 的存在。
总结展望
本文以 XPS 为核心,从原理、方法到应用,系统解析了这一表征技术的价值。在《Sub-Nanometer-Scale Cu₉S₅》的研究中,XPS 不仅是 “确认表面元素与价态” 的基础工具,更是揭示 “电子转移机制” 与 “活性位点本质” 的核心手段。
对于电催化研究者而言,掌握 XPS 的关键在于 “从结合能偏移中读懂电子转移,从峰形变化中识别价态演变”,并将 XPS 与原位表征(如原位 XPS、原位 Raman)结合,动态观测催化过程中的表面电子态变化。未来,随着原位 XPS 技术的发展(如液体原位 XPS),将能更真实地模拟电解液环境下的表面反应,为电催化材料的精准设计提供更直接的指导。