碳酸鈣等礦物的形成往往會由于熱/質(zhì)傳遞的阻礙而導(dǎo)致能源消耗，甚至增加安全風(fēng)險。然而，由于對阻垢機理的了解不足，目前的阻垢劑不夠有效。在這里，本文報道了一種超高性能的阻垢劑，氧化石墨烯（GO），即使在亞微米劑量下，它也表現(xiàn)出比目前最先進(jìn)的阻垢劑更好的成核抑制效果。實驗表明，GO優(yōu)越的成核抑制作用歸因于其對離子成核動力學(xué)的限制作用，以及其通過改變碳酸鈣多晶型形成的正常途徑來增加碳酸鈣成核屏障的能力。進(jìn)一步的分析表明，GO的離子限制作用和多晶型控制能力可能源于其富含氧官能團的表面化學(xué)和二維（2D）平面特征，這分別賦予GO對CO
32-擴散的Ca
2+結(jié)合能力和額外的空間位阻。
圖1. GO對碳酸鈣成核的影響。（a） 實驗裝置的示意圖。（b） 典型的光學(xué)顯微照片顯示了在不同階段在含有/不含有添加劑（GO
3nm或PAA）的溶液中形成的可見微晶。比例尺為100μm。（c） 含有/不含有添加劑（GO
3nm或PAA）的溶液體系的電導(dǎo)率與時間的典型曲線和（d）相應(yīng)的tind值。時間0表示前體溶液的混合完成的時刻。tind的誤差條是標(biāo)準(zhǔn)誤差。溶液濃度：1.13 mM。添加劑濃度：0.2 mg L
–1。
圖2. 碳酸鈣結(jié)晶形態(tài)的分析。（a） 不同形態(tài)碳酸鈣的光學(xué)顯微照片、SEM圖像和拉曼光譜。（b） 在t
n和t
g（通常在t
g=2400/7200 s/3天時）下，空白、GO
3nm和PAA系統(tǒng)中方解石數(shù)量的百分比。溶液濃度：1.13mM。誤差條為標(biāo)準(zhǔn)誤差。
圖3. GO抑制碳酸鈣成核的熱力學(xué)和動力學(xué)機制。（a） ln t
ind與碳酸鈣成核的σ
–2的關(guān)系圖，以及（b）因子b和a對應(yīng)于碳酸鈣在有/無添加劑（GO
3nm或PAA）的溶液中的均勻成核主導(dǎo)途徑。誤差條是標(biāo)準(zhǔn)誤差。
圖4. ASTs后PtFe-FeNC的結(jié)構(gòu)特征。（a） 不同循環(huán)下的歸一化CO汽提曲線。（b） 峰值1和峰值2在不同周期的對應(yīng)峰值電流。（c） AC-HAADF-STEM圖像PtFe-FeNC@70k具有沿著[111]區(qū)軸的模擬STEM圖像和原子模型（白色和黃色球體分別表示Pt和Fe）。（d） AST后FeNC和PtFe-FeNC的歸一化Fe含量。（e） FeNC和PtFe-FeNC每循環(huán)的FeN
4損失率。
圖5. 不同氧化程度和大小GOs的碳酸鈣成核抑制性能。含有（a）不同氧化程度的固定尺寸GOs和（b）三種不同濃度的不同尺寸GOs的溶液體系中碳酸鈣的t
ind。光學(xué)顯微照片顯示了在存在不同氧化程度和大小的GOs的溶液中形成的可見微晶。（c） 錫與各種氧官能團含量的關(guān)系。（d） GO
3nm與已報道的聚羧酸鹽/聚磷酸鹽阻垢劑在碳酸鈣成核抑制性能方面的比較。PESA：聚環(huán)氧琥珀酸；羧甲基纖維素接枝聚丙烯酸；HIB:正己基異丁酸-PAA；CIT：檸檬酸；ATMP：氨基三（亞甲基膦酸）；和DTPMPA：二亞乙基三胺五（亞甲基膦酸）。（50−54）t
ind的所有誤差條都是標(biāo)準(zhǔn)誤差。
相關(guān)研究成果由河北工業(yè)大學(xué)Guoying Bai等人2024年發(fā)表在Langmuir (翻譯：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01629)上。原文：Graphene Oxide Inhibits Calcium Carbonate Nucleation
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
