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必达泰克拉曼光谱仪: 碳材料拉曼表征新选择

前言:碳是自然界中蕴藏最丰富的元素,拥有低成本,长寿命、耐高温、结构多样,碳材料比电容高等优异特性,是当前电化学领域最为活跃的研究方向,也是发展清洁和可再生能源的重要课题之一,已在电动汽车、移动通讯、太阳能和风力发电、航空航天和国防科技等方面发挥着重要作用。
近年来,碳纳米技术的研究相当活跃。常见的碳材料有:石墨烯、石墨、碳纳米管和炭黑等(Fig.1),它们都表现出独特的电导率、导热性和机械强度,这都要归功于各同种异体的独特结构。一个重要的问题是:如何简单快速地描述不同碳纳米材料的种类和质量,以有效地监控和控制生产和后期应用。由于纳米材料的分子振动特性,拉曼光谱技术已经广泛应用于碳纳米材料研究领域,它是表征碳材料特性的一种快速、简单、理想的分析工具。
Fig.1 四种碳纳米材料:石墨烯、石墨、碳纳米管和炭黑
碳材料的拉曼光谱分析
碳纳米材料的拉曼光谱通常有三个主要特征:G峰,D峰,和2D峰(也称为G’峰)。这些纳米材料的光谱虽然简单,但其质量和微观结构的信息却非常丰富,这些信息是由峰值位置、峰值形状和峰值强度所揭示的。G峰的位置在1582 cm-1附近,代表石墨烯平面sp2振动模式;这是材料结晶度的一个标志。在无序石墨烯材料中可以观察到G峰的散布,而G峰的散布与其无序程度成正比。在1350 cm-1左右的D峰被归因于靠近微晶结构边缘的结构紊乱,从而降低了结构的对称性。这两个波段的拉曼峰值强度比,ID/IG可以用来描述材料的无序程度。根据激光激发波长,G’峰的位置在2700 cm-1左右,与石墨烯层的数目有关。
实验过程:

实验仪器:本实验采用美国必达泰克的高性能、深致冷便携式拉曼光谱仪i-Raman®Pro,激发波长:532 nm,以及xyz方向均可微调和粗调的拉曼探头支架。i-Raman®Pro是一款集成了创新智能光谱技术的一款深致冷拉曼光谱仪,致冷温度达-25°C,具备超高灵敏度、超高信噪比和更宽的动态范围。
实验样品:单层石墨烯、碳纳米管、单晶石墨和碳黑粉。
Fig. 2 i-Raman Pro和探头支架的图片

结果与讨论:
单层石墨烯(红色)、碳纳米管(黑色)、单晶石墨(绿色)和碳黑粉(蓝色)的拉曼光谱如图3所示。石墨烯有着明显的G峰以及不存在D峰,这揭露出其高的有序和结晶度的特点。尖锐、对称的单G’峰,揭露出其具有完美的单洛仑兹峰型。而石墨的光谱有着明显的G峰以及不存在D峰,这揭露出其高的有序和结晶度的特点。由于石墨是由许多层的单层石墨烯组成,在石墨光谱中观察到的G’峰比石墨烯G’峰更广泛和不对称,这说明了多个声子模式的多个组成部分。碳纳米管显示了G峰的独特特征。由于石墨烯层在形成纳米管时的约束和曲率,G峰在MWNT上不对称,更有可能分裂成两个波段,G+和G-峰。碳黑的拉曼光谱,具有最低的结晶度,显示一个大的D峰和宽G峰,具有高的ID/IG比率,表示一个无序的结构。  
Fig. 3 石墨烯(红色)、碳纳米管(黑色)、石墨(绿色)和炭黑(蓝色)的拉曼谱图。
结束语:
传统的共聚焦显微拉曼光谱仪由于高成本加上操作和数据解释的复杂性,不便于在大规模碳材料制造环境中监测以及日常碳材料拉曼表征,在这种情况下,我们需要更简单、快速和高性价比的分析工具。本次实验通过采用美国必达泰克的一款深致冷、高性能便携式拉曼光谱仪i-Raman Pro表征四种碳纳米材料,表明美国必达泰克的便携式拉曼光谱仪能够简单、快速、有效地提供丰富的关于石墨烯、碳纳米管、石墨和炭黑以及其他碳纳米材料特性的信息,可以作为碳纳米材料的在线或非在线的表征、产品质量控制和过程监测的一种理想工具。