河北工业大学Guoying Bai等–氧化石墨烯抑制碳酸钙成核

碳酸钙等矿物的形成往往会由于热/质传递的阻碍而导致能源消耗，甚至增加安全风险。然而，由于对阻垢机理的了解不足，目前的阻垢剂不够有效。在这里，本文报道了一种超高性能的阻垢剂，氧化石墨烯（GO），即使在亚微米剂量下，它也表现出比目前最先进的阻垢剂更好的成核抑制效果。实验表明，GO优越的成核抑制作用归因于其对离子成核动力学的限制作用，以及其通过改变碳酸钙多晶型形成的正常途径来增加碳酸钙成核屏障的能力。进一步的分析表明，GO的离子限制作用和多晶型控制能力可能源于其富含氧官能团的表面化学和二维（2D）平面特征，这分别赋予GO对CO₃^2-扩散的Ca²⁺结合能力和额外的空间位阻。

图1. GO对碳酸钙成核的影响。（a） 实验装置的示意图。（b） 典型的光学显微照片显示了在不同阶段在含有/不含有添加剂（GO_3nm或PAA）的溶液中形成的可见微晶。比例尺为100μm。（c） 含有/不含有添加剂（GO_3nm或PAA）的溶液体系的电导率与时间的典型曲线和（d）相应的tind值。时间0表示前体溶液的混合完成的时刻。tind的误差条是标准误差。溶液浓度：1.13 mM。添加剂浓度：0.2 mg L^–1。

图2. 碳酸钙结晶形态的分析。（a） 不同形态碳酸钙的光学显微照片、SEM图像和拉曼光谱。（b） 在t_n和t_g（通常在t_g=2400/7200 s/3天时）下，空白、GO_3nm和PAA系统中方解石数量的百分比。溶液浓度：1.13mM。误差条为标准误差。

图3. GO抑制碳酸钙成核的热力学和动力学机制。（a） ln t_ind与碳酸钙成核的σ^–2的关系图，以及（b）因子b和a对应于碳酸钙在有/无添加剂（GO_3nm或PAA）的溶液中的均匀成核主导途径。误差条是标准误差。

图4. ASTs后PtFe-FeNC的结构特征。（a） 不同循环下的归一化CO汽提曲线。（b） 峰值1和峰值2在不同周期的对应峰值电流。（c） AC-HAADF-STEM图像PtFe-FeNC@70k具有沿着[111]区轴的模拟STEM图像和原子模型（白色和黄色球体分别表示Pt和Fe）。（d） AST后FeNC和PtFe-FeNC的归一化Fe含量。（e） FeNC和PtFe-FeNC每循环的FeN₄损失率。

图5. 不同氧化程度和大小GOs的碳酸钙成核抑制性能。含有（a）不同氧化程度的固定尺寸GOs和（b）三种不同浓度的不同尺寸GOs的溶液体系中碳酸钙的t_ind。光学显微照片显示了在存在不同氧化程度和大小的GOs的溶液中形成的可见微晶。（c） 锡与各种氧官能团含量的关系。（d） GO_3nm与已报道的聚羧酸盐/聚磷酸盐阻垢剂在碳酸钙成核抑制性能方面的比较。PESA：聚环氧琥珀酸；羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸；HIB:正己基异丁酸-PAA；CIT：柠檬酸；ATMP：氨基三（亚甲基膦酸）；和DTPMPA：二亚乙基三胺五（亚甲基膦酸）。（50−54）t_ind的所有误差条都是标准误差。

相关研究成果由河北工业大学Guoying Bai等人2024年发表在Langmuir (翻译：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01629)上。原文：Graphene Oxide Inhibits Calcium Carbonate Nucleation