碳材料结构的拉曼光谱表征

2024/04/11   下载量： 0 次

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应用领域 能源/新能源
检测样本 煤炭
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碳材料结构的拉曼光谱表征 ——鉴知科研级拉曼光谱仪在碳材料研究中的应用

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碳材料结构的拉曼光谱表征

——鉴知科研级拉曼光谱仪在碳材料研究中的应用


碳材料在储氢、半导体器件、锂电池、催化剂载体等领域具有非常广阔的应用前景。其中的碳纳米管和石墨烯产业已经从实验室走向产业化，成为了中国新材料产业乃至制造业实现弯道超车的突破口。据预计，未来中国碳材料市场销量将保持高增长趋势，结合中国动力电池协会发布的锂电池产业数据，预测未来市场年均复合增长率将达到58%，2026年将突破90万吨，有望逼近100万吨大关。

碳材料的表征分析对于材料性能研究至关重要。传统扫描电镜系统能给出材料形貌信息，EDS可以对材料微区成分元素种类与含量进行分析，分子成键信息主要有红外和拉曼光谱两种方法表征，可反映碳材料电化学性能等关键信息。其中拉曼光谱更擅长表征碳材料中C-C，C=C，C≡C，O-O，N≡N等无红外活性的共价键类型，因此成为当下更为常用的无损快速高分辨的分析技术。

拉曼光谱可以高效地表征碳材料的石墨烯层数、层堆叠方式、应变、边界和无序度等信息，是一种极其有效且高精度的实验手段，被广泛地应用在碳材料的实验中。拉曼光谱的主要信息来自拉曼特征峰，蕴含很多信息，包括峰位、峰强、半峰宽等。鉴知技术RS3100科研型拉曼光谱仪在碳材料样品分析方面有许多实际应用案例，下图为实验人员使用RS3100光学探头测试了添加不同含量增强剂的片状样品A、B、C。

图1 测试场景图


在532nm激光激发下，RS3100采集到的单层石墨烯的典型拉曼光谱图如下图所示。其对应的特征峰分别位于1585 cm-1附近的G峰和位于2695 cm-1左右的2D峰，如果石墨烯的边缘较多或者含有缺陷，还会出现位于1355cm-1左右的D峰。对A、B、C三款样品，测量全谱段的原始拉曼光谱有峰高比的差异，A，B，C样品差异内容为ID/IG=0.32，0.31，0.205。

图2 RS3100采集的三种片状碳材料样品的拉曼光谱图


结果表明，可以通过RS3100科研型拉曼光谱仪对石墨烯、碳纳米管、碳复合材料等材料进行表征。


在碳材料制备研究中使用拉曼光谱的主要目的是结构信息的表征，碳材料特征拉曼峰位所对应的一般性解释如下[1,2]：


G峰：在1580 cm-1附近，归属于碳原子面内键的伸缩振动模，与石墨化程度有关；其峰宽与峰强也与缺陷有关；峰位与碳材料形态也有一定关系，如在碳纳米管中该峰会向低波数移动。


D峰：在1350 cm-1附近，归属于无序诱发的六边形布里渊区的边界振动模，用于缺陷表征。


碳材料的D带和G带强度比（ID/IG）ID/IG的比值通常与结构混乱程度和缺陷数量有关，比值越高，说明键合无序、空位和缺陷越多，越有利于电化学性能的提高。


2D峰（也被称为G’峰）：在2680 cm-1附近，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式（或层数）。


参考文献

[1] 李杰. 碳基电极材料的可控制备及其电化学储能应用研究[D]. 中国科学技术大学, 2022.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2022.000367

[2] 辛伍红. 碳材料拉曼测试中激发光能量的选择[J]. 化工时刊, 2020,34(06):1-4.DOI:10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2020.06.001


RS3100科研型拉曼光谱仪


1. 产品介绍

鉴知®RS3100科研型拉曼光谱仪是一款高性能的检测设备，可快速无损地对化学品进行分析，具有高灵敏度、高信噪比、低荧光、高稳定性等优异的性能

RS3100采用532 nm波长激发，内置透射光栅光谱仪，和-80 ℃深度制冷科研型相机，并采用多芯光纤收集方案，具有极高的灵敏度，可充分满足化学分析、材料研究等领域的检测需求。


2. 产品特点

高通量、低噪声：配备高通量设计的透射式光栅光谱仪

信噪比高：-80℃科研深度制冷相机，高灵敏度、低噪声

稳定性高：内置小型抗振平台，有效保护光路

软件强大：具备数据采集、数据平滑、降噪、差谱、比对、定量分析方法建立等丰富功能

多功能检测附件：配备固体套筒、液体套筒、密闭检测仓等可适用于固体、粉末、液体等多种不同形态样品的检测


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