Johann-type laboratory-scale x-ray absorption spectrometer with versatile detection modes

We present a low-cost laboratory X-ray absorption spectrometer that uses a conventional X-ray tube source and bent Johann-type crystal monochromators. The instrument is designed for X-ray absorption spectroscopy studies in the 4-20 keV range which covers most K edges of 3d transition metals and L edges of 5d transition metals and actinides. The energy resolution is typically in the range of 1-5 eV at 10 keV depending on the crystal analyser and the Bragg angle. Measurements can be performed in transmission, fluorescence, and imaging modes. Due to its simple and modular design, the spectrometer can be modified to accommodate additional equipment and complex sample environments required for in situ studies. A showcase of various applications is presented. Published under license by AIP Publishing.Peer reviewe

Mesoporous LaMnO3+delta perovskite from spray - pyrolysis with superior performance for oxygen reduction reaction and Zn - air battery

Oxygen reduction reaction (ORR) is the key reaction in various electrochemical energy devices. This work reports an inexpensive mesoporous LaMnO3+δ perovskite for ORR with remarkable activity, synthesized by a facile aerosol-spray assisted approach. The mesoporous LaMnO3+δ material shows a factor of 3.1 higher activity (at 0.9 V vs. RHE) than LaMnO3 obtained from co-precipitation method (LMO-CP). Based on results of x-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Brunauer–Emmett–Teller (BET) analysis, we conclude that the chemical state of surface Mn and the high surface area are the sources to the notably enhanced activity. The study of Zn-air batteries device further confirmed a Pt/C comparable performance in the practical devices with the novel mesoporous LaMnO3+δ catalyst, where the power density at 200 mA/cm2 is only 2.1% lower than in the battery with same-loaded Pt/C catalyst. Therefore, the high mass activity and low-cost of Mn/La may make LaMnO3+δ further approach to the application of electrochemical devices.Peer reviewe

XAS-laitteisto ja XANES-menetelmä

Tässä tutkielmassa käsitellään röntgenabsorptiospektrometrilaitteistoa sekä lähireuna-absorptiospektroskopia -menetelmää. Tässä työssä esitellään Helsingin yliopiston röntgenabsorptiospektrometri sekä keskitytään XANES-menetelmään (XANES, X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy). Absorptiospektroskopian avulla saadaan tietoa tutkittavan atomin lähiympäristöstä ja paikallisesta elektronirakenteesta. Menetelmä on erittäin tärkeä energian varastointimateriaalien sekä katalyyttimateriaalien tutkimuksessa, koska datan avulla päästään käsiksi esimerkiksi hapetuslukuihin. Röntgenabsorptiospektroskopia (XAS, X-ray Absorption Spectroscopy) voidaan karkeasti jakaa lähireuna- (XANES, X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy) ja laajennettuun absorptioreunan hienorakenteen spektroskopiaan (EXAFS, Extended X-ray Absorption Fine-Structure Spectroscopy). XAS-menetelmä on alkuainespesifinen sekä herkkä mittaamaan kemiallisten sidosten pituuksia. XANES mittaa tilatiheyttä ja soveltuu hapetuslukujen määrittämiseen erittäin hyvin. Tämän tutkielman aikana Helsingin yliopiston XAS-laitteistolla suoritettiin mittaukset usealle standardinäytteelle, jotka valmistettiin paikan päällä. Näytteiden valmistus ja mittaukset suoritettiin huolellisesti ja koejärjestely pidettiin mittausten välillä samana. Työn tuloksina saatiin absorptiospektrit standardinäytteille, jotka sisältivät siirtymämetalleihin kuuluvien koboltin ja mangaanin oksideja. Tulosten perusteella Helsingin yliopiston röntgenlaboratorion XAS-laitteistolla voidaan mitata absorptiospektrit erittäin tarkasti. Mitatut spektrit ovat lähes identtiset kirjallisuusreferenssien kanssa. Koboltin K-reuna mitattiin 7,7 keV:n ja mangaanin 6,5 keV:n ympärillä. Tuloksista voidaan selvästi nähdä energiasiirtymät standardinäytteiden spektrien välillä. Laitteiston monokromaattorikide on suurin osatekijä, joka määrää äärellisen energian erotuskyvyn, joka on arviolta 1,5 eV. Kobolttioksidinäytteiden mittaustuloksista voidaan myös havaita absorptioreunan siirtyminen kohti suurempaa energiaa, koboltin hapetusluvun kasvaessa. Tulosten avulla pystyttäisiin määrittämään koboltin hapetusluvut

Mass-production of mesoporous MnCo₂O₄ spinels with manganese(IV)- and cobalt(II)-rich surfaces for superior bifunctional oxygen electrocatalysis

Abstract A mesoporous MnCo₂O₄ electrode material is made for bifunctional oxygen electrocatalysis. The MnCo₂O₄ exhibits both Co₃O₄-like activity for oxygen evolution reaction (OER) and Mn₂O₃-like performance for oxygen reduction reaction (ORR). The potential difference between the ORR and OER of MnCo₂O₄ is as low as 0.83 V. By XANES and XPS investigation, the notable activity results from the preferred MnIV- and CoII-rich surface. The electrode material can be obtained on large-scale with the precise chemical control of the components at relatively low temperature. The surface state engineering may open a new avenue to optimize the electrocatalysis performance of electrode materials. The prominent bifunctional activity shows that MnCo₂O₄ could be used in metal–air batteries and/or other energy devices