讨论稿试验报告-高纯钯化学分析方法杂质元素含量的测定辉光放电质谱法

1、高纯钯化学分析方法杂质元素含量的测定辉光放电质谱法试验报告预审稿）贵研铂业股份有限公司2020 年 7 月高纯钯化学分析方法杂质元素含量的测定辉光放电质谱法前言高纯钯以其独特的物理化学性能， 应用于现代工业和尖端技术领域。 高纯钯提纯技术、 加工制造技术与其分析检测能力密切相关，研究高纯钯中杂质元素含量检测方法非常重要。已有的纯金属钯中杂质测定方法有发射光谱法（AES）1 、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ ICP-AES）2-5 、电感耦合等离子体质谱法 （ICP-MS）6-9 等。产品标准 GB/T 1420-2015 海绵钯，要求测定三个牌号 SM-Pd99.9、SM-Pd99.95、S

2、M-Pd99.99 的 18 个杂质元素，测定 方法其一采用 YS/T 362-2006 纯钯中杂质元素的发射光谱分析 ，其二采用附录 A 电感 耦合等离子体原子发射光谱法 。其中直流电弧发射光谱法需要用钯基体配制粉末标样，不 但需要消耗大量的钯基体且钯基体制备方法困难， 目前此方法已很少被使用。 液体进样检测 的 ICP-AES 法满足不了高纯钯所需检测下限范围。 ICP-MS 法检测限较低，但对试剂、环境 要求较高，易被污染，同时基体浓度也不宜太高。辉光放电质谱法（GD-MS）是 20 世纪后期发展起来的一种重要无机质谱分析技术， 作为目前被公认对固体材料直接进行痕量及超痕量 元素分析最有

3、效的分析手段之一 10-12 ， GD-MS的应用主要在于高纯度材料的杂质元素分析， 已成为国际上高纯金属材料、 高纯合金材料、 稀贵金属、 溅射靶材等材料中杂质分析的重要 方法。制定高纯钯辉光放电质谱法测定杂质元素含量标准分析方法， 有助于进一步完善贵金 属材料产品检验表征及评价方法技术体系。GD-MS的方法原理是将高纯试样安装到仪器样品室中作为阴极进行辉光放电，其表面原子被惰性气体（例如：高纯氩气）在高压下产生的离子撞击发生溅射， 溅射产生的原子被离 子化后， 离子束通过电场加速进入质谱仪进行测定。 在每一待测元素选择的同位素质量处以 预设的扫描点数和积分时间对应谱峰积分， 所得面积为谱峰

4、强度。 根据强度比与浓度比的关 系计算得到被测元素含量。试验研究通过调节仪器参数， 确定最佳工作条件。 对基质元素及共存元素质谱干扰进行分析讨论， GD-MS法测定高纯钯中七十种杂质元素含量，测定其中杂质元素含量在1× 10-5%（0.1 g/g ）以上的结果，其相对标准偏差（n=7）小于 20%。大多数元素分析检测限在 0.001 0.005 g/g 。1 实验部分1.1 主要仪器与材料ASTRUM 型辉光放电质谱仪（英国 NU 仪器公司）；高纯钽片和钽棒（ Ta 99.99%）； 高纯铟（ In 99.99999% ）；硝酸（优级纯） ；盐酸（优级纯） ；无水乙醇（优级纯） ；超

5、纯水 （电阻率为 18.25M· cm）；高纯氩气（体积分数大于 99.995%）；液氮（ -170 ）。1.2 仪器工作条件 用钽片或钽棒对仪器放电条件进行调节， 将仪器参数调节至表 1所示的值， 放电电流为 2.00mA ，放电电压在 9001100V 之间。钽基体同位素 181Ta 的信号强度即法拉第电流值达 到 10-10A（电子计数值 109cps） 以上，分辨率大于 4000。测定电子倍增器与法拉第杯检测器离 子计数效率 ICE 值必须大于 75% 。并进行质量峰位置校正。表 1 辉光放电质谱仪主要工作参数参数数值放电电流 /mA2.00放电电压 /V9001100放电气

6、体流速 /(mL/min)100800离子源正极电压 /V5999.90离子提取电压 /V44004800垂直方向源电压 /V-100+100水平方向源电压 /V-100+100电子倍增器电压 /V20003000放电池温度 /-1701.3 分析元素同位素选择及分辨率 分析元素同位素首选同位素丰度高、干扰少的。大多数元素质谱干扰可以在中分辨率4000 的条件下分离。低温液氮冷却离子源型仪器，在-170 放电池中可将气体杂质尽可能地冷却在池壁上， 减少离子碰撞和电离的机会， 将气体干扰降到最低。 各测定元素同位素选 择见表 2。分辨率均在大于 4000 条件下测定。表 2. 测定元素及同位素元

7、素名称同位素元素名称同位素元素名称同位素Li锂7Se硒82Gd钆158Be铍9Rb铷85Tb铽159B硼11Sr锶88Dy镝164Na钠23Y钇89Ho钬165Mg镁24Zr锆90Er铒166Al铝27Nb铌93Tm铥169Si硅28Mo钼95Yb镱172P磷31Ru钌101Lu镥175K钾39Rh铑103Hf铪178Ca钙44Ag银109Ta钽181Sc钪45Cd镉113W钨184Ti钛48In铟115Re铼185V钒51Sn锡119Os锇189Cr铬52Sb锑121Ir铱191Mn锰55I碘127Pt铂195Fe铁56Te碲130Au金197Co钴59Cs铯133Hg汞202Ni镍60Ba

8、钡137Tl铊205Cu铜63La镧139Pb铅207Zn锌66Ce铈140Bi铋209Ga镓69Pr镨141Th钍232Ge锗70Nd钕142U铀238As砷75Sm钐152/Br溴79Eu铕153/1.4 试验方法1.4.1 样品制备2mm 3mm、长约 22mm的细棒，或者常规样品指棒状或片状金属样品，制备成直径约厚度约 1mm 20 mm、直径约 12mm 40mm的片状，保持样品表面光洁和平整，测试前依次用 盐酸（加热不溶解钯） 、硝酸（冷态下慢慢溶解钯）浸泡 5min ，用水反复冲洗酸残留液，用 无水乙醇冲洗，吹干后，装载在针状或片状样品池上进行测试。粉末样品采用压片法和铟粘附法来

9、辅助装载样品。将高纯铟（ 7N）压成片状， 依次使用硝酸、超纯水、无水乙醇来浸泡和冲洗，吹干，再将高纯钯粉末置于铟片的中间位置，压实 压紧避免粉末脱落，装载在片状样品池上进行测试。1.4.2 样品预溅射和测定 将样品固定在棒状或片状样品架上，置于离子源激发室中，调节放电条件使钯基体同 位素 106Pd的有效离子强度信号达到 10-10A 以上，分辨率 4000以上。 进行预溅射 20min（粉 末样品预溅射时间为 5min ）。调出编辑好的方法，开始收集元素的离子信号，在每一处元素质量数处以扫描时间对 质谱峰积分，所得面积为谱峰强度，被测元素含量（将单元素基体元素含量近似设为 1）可以由下式给

10、出：CX/M =RSFX/M IX/IM式中： IX 、 IM 分别是待测元素和基体元素的同位素丰度校正后的离子强度，RSFX/M为相对灵敏度因子。2 结果与讨论2.1 仪器工作参数的选择考察放电气体氩气流速 Gas（mL/min ）、放电电流 I（A） 、放电电压 U（V） 对钯基质离子信 号强度的相互影响情况。2.1.1 固定放电电流下的氩气流速实验所用辉光放电质谱仪为低压源放电， 选择仪器推荐放电电流 2.00mA ，分别调节放 电气体流速 Gas值，观察放电电压 U 值变化和钯基质同位素 106 Pd离子信号强度的变化见图 1。实验表明，固定放电电流下，放电电压随气体流速的增加而减小，

11、离子信号强度随气体 流速的增加先上升很短时间又下降。 因为在维持放电电流不变的条件下， 气体流速增加， 增 加了放电气体压强， 所需放电电压下降， 离子化效率先随放电气体密度增大而增大， 但很快 又随放电电压下降而下降，离子信号强度减小。要调整气体流速， 到达设定电流， 再调整离 子光学系统电极电压使 106Pd 最大离子信号强度在 10-10A 以上、放电电压稳定在 900 1100V 以内以获得可靠测定数据。2.1.2 固定放电气体流速下的放电电流固定放电气体流速 Gas，调节放电电流 I，观察放电电压 U 值变化和钯基质同位素 106Pd 离子信号强度的变化见图 2。实验表明，固定的放电

12、气体流速下，放电电流增加，进入质谱 仪的离子束强度增大， 放电电压和离子信号强度随放电电流增加而增大。 钯属于易溅射金属，电流太大使样品的溅射速率愈发增大， 离子堆积在出口狭缝易造成堵塞， 粉末样品还比较容 易被溅射掉落在放电池绝缘片上产生短路现象。所以，放电电流不宜过大。106Pd 最大离子信号强度在 10-10A 以上，同时放电电压稳定在 9001100V 以内即可获得可靠结果。 实验选 择放电电流为 2.00mA。图 2. 放电电流对放电电压和离子信号强度的影响2.2 预溅射时间选择 在一定的仪器工作条件下，考察高纯钯粉压片制得样品，其预溅射时间对常见易污染元素钠、镁、铝、硅、铁、钙的含

13、量测定影响情况。结果见图3。结果表明，引入的常见污染元素，需要预溅射 5 20min 以上才能进一步去除表面污染；对于粉末状样品，不清洗， 预溅射时间 5min ，否则易掉粉短路，电压下降而中断测定。图 3.纯金属钯中 Na、Mg、Al、Si、Fe、Ca 含量与预溅射时间的关系2.3 分析元素同位素选择 分析同位素的选择以丰度高、 质谱干扰小为原则。 此外再考虑基质及共存元素与气体元 素 Ar 、C、N 、O、H 形成的多原子离子干扰、多电荷离子干扰等。C、 N、 O、H 的气体干扰峰经液氮冷却可降低，其空白值均小于15g.g-1。在 4000 的中分辨率下，纯钯中超轻元素 Li、Be、B 及

14、轻元素 Na 、Mg 、 Al 、Si、P、K 的测定要注意提前用纯钽进行质量峰位置 校正； 39K 受 1H38Ar 双原子峰干扰，理论上分辨率达到5689 可以分开， 40Ar 强度太高时造成 39K 稍有拖尾且基线偏高； 40Ca 受 40Ar 严重干扰， 选丰度低的 44Ca。48Ti 较 46Ti 丰度高且 干扰少，在均受右侧峰 16O36Ar 及12C 40Ar双原子干扰的情况下， 52Cr较53Cr 丰度高稍好。 常见元素 Mn、Fe、Cu、Ni、Co、Zn 等的测定在 4000分辨率下至少有一个无干扰同位 素可选择。 82Se无干扰， 95Mo 较98Mo 好，99Ru与 10

15、1Ru都无干扰，优选同位素更大的 101Ru。 107Ag 与 109Ag 基线稍高，计算时选择自动扣基线值。 103Rh 与 102Pd104Pd 双电荷接近，理论 分辨率 3546，可以分开。 Cd 受 110Pd 和 In 干扰大，制样采用压片方式比较好，可选113Cd。137Ba 较 138Ba 干扰少。 Ba 和稀土元素 Ce、 Pr、Nd 左侧有钯和气体形成的双原子峰，注意 调整正确峰位置，其余稀土元素不受干扰。贵金属元素Ru、 Rh、 Pt、 Ag 、Os、Ir 均可以通过选择合适的同位素测定，如 Os用 189 Os，Ir用191Ir。 Au 的峰左侧稍有气体峰拖尾。 Ta 是

16、仪器放电池制造材料，其结果可作为参考值。2.4 精密度和准确度试验2.4.1 精密度高纯 4N 钯粉压片后进行测定精密度试验， 实验结果见表 3。结果表明，对含量在 1×10-5% ( 0.1g/g )以上的测定结果，其相对标准偏差(n=7)小于 20%。大多数元素分析检测限在 0.001 0.005 g/g 。表 3. 钯精密度结果元素测定结果 / g/g(n=7)平均值 / g/gRSD/%Li0.0030.0020.0010.0020.0010.0010.0020.00250Be<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0

17、.001<0.001<0.001/B0.0080.0090.0080.0050.0060.0040.0060.00727.5Na0.200.180.160.160.150.150.150.1612.2Mg0.470.380.480.480.400.410.380.4311.0Al0.440.330.310.260.320.320.330.3317.3Si2.62.22.32.22.32.42.42.35.8P0.700.620.630.670.590.650.650.645.3K0.020.020.020.020.020.020.020.028.3Ca0.170.120.120.1

18、80.140.120.180.1518.8Sc<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Ti0.130.100.110.100.100.100.110.1111.1V0.010.010.0090.0080.0080.0090.0090.00911.4Cr0.030.030.030.030.030.030.030.032.9Mn0.020.020.020.020.020.020.030.029.2Fe1.20.920.810.880.871.01.00.9512.9Co0.0030.0040.

19、0020.0030.0030.0040.0020.00329.5Ni0.050.050.040.040.030.030.050.0418.4Cu0.480.480.410.420.410.410.460.447.2Zn18161717171818173Ga<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002/Ge0.420.420.480.480.390.470.470.447.9As0.060.060.060.070.060.060.070.067.1Se<0.01<0.01<0.0

20、1<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01/Br0.010.010.010.010.010.010.0090.0112.2Rb<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Sr0.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.00133.2Y0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0010.00219.0Zr0.0040.0030.0030.0030.0030.0030.0030.0036.6Nb0.0050

21、.0040.0040.0040.0030.0040.0050.00414.7Mo0.0080.0070.010.010.010.0090.0090.00916.9Ru0.050.040.040.040.030.030.040.0414.4Rh0.160.150.160.140.100.130.130.1415.2Ag10108.78.48.17.87.48.712.4Cd0.040.030.030.030.050.040.040.0413.6In0.030.030.020.020.020.020.020.0211.2Sn0.280.380.320.340.220.300.310.3115.9S

22、b0.130.110.130.110.120.110.110.128.3Te0.030.020.0070.020.0060.020.0080.0259.5I0.040.040.050.050.040.040.050.057.0Cs0.010.010.020.010.010.010.010.0114.3Ba<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005/La0.0020.0020.0010.0020.0020.0020.0010.00225.6Ce0.0150.0120.0150.0110.0160

23、.0130.0140.0112.1Pr<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.00129.8Nd0.0060.0060.0040.0060.0060.0060.0060.00613.1Sm<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Eu<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Gd<0.0

24、01<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Tb<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Dy<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Ho<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Er<0.0

25、01<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Tm<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Yb<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002/Lu<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Hf<0.0

26、01<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/Ta<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2<0.2/W0.040.020.030.040.040.040.040.0322.1Re0.0020.0020.0020.0020.0030.0030.0030.00214.1Os<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002/Ir0.0080.010.0090

27、.010.0060.010.0070.00919.5Pt0.800.690.650.790.740.800.630.7310.1Au0.030.040.030.040.040.040.040.0412.5Hg<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01/Tl<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002<0.002/Pb0.180.160.180.170.150.200.190.189.2Bi0.040.040.030.030

28、.030.030.040.0415.9Th<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/U<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001/2.4.2 与 ICP-AES 方法比对 将纯钯管理样品进行 GD-MS 测定和 ICP-AES 测定主要元素，结果见表 4。实验表明，GDMS 测定结果与 ICP-AES 测定结果相比较，结果一致性好， GD-MS 具有固体进样、准 确度好、分析速度快、检测下限

29、低等优势。表 4. GD-MS 与 ICP-AES 分析结果比对元素GD-MS 测定值 / g/gICP-AES 测定值 / g/g元素GD-MS 测定值 / g/gICP-AES 测定值 / g/gLi137.3Cu169.9K0.41<1Zr1210Mg2014Nb9.07.6Al4332Mo117.8Ca5450Te7.67.6Ti138.7Ba5.010V139.0W7.98.4Mn1410Pb9.113Fe2213Bi8.88.5Co108.0Au7.58.0Ni159.8Ru1310参考文献：1 中华人民共和国国家发展和改革委员会 中国国家标准化管理委员会 . YS/T 362-2006 纯钯中杂质元