拉曼光谱技术助力碳减排的实现(上)
发布时间：2024-04-30
在本应用案例中，我们展示了使用拉曼光谱技术来研究在碳捕集性能特点方面颇具潜力的两种新型材料：固体胺纳米多孔结构和石墨烯滤膜。拉曼光谱技术对于表征和研发这些尖端材料至关重要。雷尼绍提供一系列拉曼光谱仪用于化学和结构表征，帮助用户成功合成这些先进材料。
科学与技术
随着气候变化和二氧化碳排放量不断增加，各国政府正在寻找降低大气中二氧化碳浓度的新方法。
背景
在本应用案例中，我们展示了使用拉曼光谱技术来研究在碳捕集性能特点方面颇具潜力的两种新型材料：固体胺纳米多孔结构和石墨烯滤膜。拉曼光谱技术对于表征和研发这些尖端材料至关重要。雷尼绍提供一系列拉曼光谱仪用于化学和结构表征，帮助用户成功合成这些先进材料。
挑战
目前的胺净化技术需要消耗大量能源，经济性较差。因此，采用固体胺材料实现碳捕集再次引起关注。
解决方案
碳基纳米多孔结构由于其相对较高的热稳定性、耐化学性和低成本批量生产潜力，特别适合作为固体胺二氧化碳捕集系统。通过设计高孔隙率，可轻松实现大量胺浸渍，从而高效吸收二氧化碳。
英国伦敦大学学院 (University College London) 的郭正晓教授和他的同事们报告了一种制成胺浸渍碳基纳米多孔结构的可量产且可控的方法。他们合成了多级介孔和大孔石墨烯网络，该网络是通过在300°C的中等温度下，对氧化石墨烯 (GO) 进行约5分钟的短时热冲击剥离而制成。氧化石墨烯的氧化程度控制剥离强度，从而产生极高的孔隙率：比表面积 (SSA, ≈800 m2 g−1) 和超高总孔容 (≥ 6 cm3 g−1) 均显著高于其他介孔碳、金属有机骨架 (MOF)、二氧化硅和沸石。随后使用inVia™共焦显微拉曼光谱仪对氧化石墨烯的D带和G带进行了拉曼分析，以确认剥离前后的不同化学改性程度（图1）。
图1：剥离后氧化石墨烯 (exfGO) 样品的拉曼光谱，展示了这些样品由于化学改性而导致的高度无序状态。这些exfGO样品按照氧化状态递增的顺序标记为A到D。请注意，这时几乎检测不到石墨烯的2D带 （≈ 2700 cm−1)，这表明样品的原有结构（有序）被破坏。
图2：通过电子显微镜测定exfGO-D样品的高度网络化表面形态和孔隙率。上下两行图片分别为通过扫描电子显微镜 (SEM) 和隧道电子显微镜 (TEM) 拍摄的显微照片。
将剥离后氧化石墨烯样品用三乙烯四胺 (TETA) 浸渍。当在模拟烟气气流中对样品进行测试时（75°C，100 ml/分钟，CO2在N2中的浓度为15%，通过水鼓泡），可实现 > 25 wt% (7.0 mmol g-1) 的稳定二氧化碳捕集能力。对于任何类型的多孔固体或固体胺碳捕集系统而言，这些结果都优于任何其他文献中报告的结果。
未完待续
还有一种广受关注的节能型碳捕集解决方案，主角是经济高效的石墨烯滤膜。研究人员是如何运用拉曼光谱仪证实石墨烯膜是一种可量产且节能的碳捕集材料，我们将在下期继续为您精彩呈现！
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