مشخصه یابی کربن سیاه با طیف سنجی رامان

طیف سنجی رامان با توجه به سرعت بالا، ماهیت غیر مخرب و عدم نیاز به آماده سازی نمونه به روشی موثر برای توصیف مواد کربنی تبدیل شده است. طیف رامان به عنوان اثر انگشت مولکولی برای آنالیز ساختارهای مولکولی، شناسایی مولکول‌های خاص و پیش‌بینی غلظت‌های شیمیایی در مخلوط‌ ها استفاده می‌شود. پیک‌های رامان مرتبط با پیوندهای کربنی مختلف جزئیات ساختاری را در سطح مولکولی نشان می‌دهند. تاکنون بیشتر تحقیقات تکنولوژی رامان در حوزه نانولوله های کربنی و گرافن صورت گرفته است. در این قسمت پیشنهاد می‌کنم مقاله استفاده از طیف سنجی رامان در شناسایی گرافن و مشخصه یابی نانو لوله های کربنی با طیف سنجی رامان را مطالعه نمایید. جالب است بدانید که اطلاعات متمایزی بین نسبت پیک‌های باند D و باند G مواد کربنی sp^۲، وجود دارد. به همین دلیل طیف سنجی رامان می‌تواند برای مشخصه یابی کربن سیاه نیز استفاده شود. حال قصد داریم که به بررسی مزیت این روش در آنالیز ماده کربن سیاه بپردازیم.

مزیت روش رامان در مشخصه یابی کربن سیاه چیست؟

کربن سیاه در واقع ساختار آمورف گرافیت است که سطح کریستالی پایین‌تری از گرافیت دارد. این ماده عمدتا به عنوان پرکننده تقویتی در لاستیک‌های اتومبیل و سایر محصولات لاستیکی، رنگدانه‌ها و رنگ‌ها استفاده می‌شود. به دلیل پیچیدگی ساختار و فقدان روش‌های تست استاندارد قطعی، معمولا مشخصه یابی کربن سیاه به تست‌های معمولی محدود می‌شود. تست‌هایی همچون تعیین مساحت سطح، اندازه ذرات برآورد شده از مقادیر مساحت سطح، اعداد جذب ید برای ارزیابی گریدهای کربن سیاه و اعداد جذب دی بوتیل فتالات برای تعیین مقدار نسبی روغنی که کربن سیاه جذب می‌کند. روش‌هایی مانند آنالیز پراش اشعه ایکس یا آنالیزهای تصویربرداری با کارایی بالا نیز می‌تواند ساختار کربن سیاه را در سطح اتمی به تصویر بکشد. اما هیچ یک از این روش‌ها امکان تست سریع و راحت در سطح مولکولی را برای ارزیابی و کنترل کیفیت کربن سیاه فراهم نمی‌کنند.
میکرو ساختار کربن بسیار رامان اکتیو است که به طور منحصر به فردی رامان را برای شناسایی مواد کربنی در ساختارهای کریستالی مختلف مناسب می‌کند. گرافیت حاوی صفحات شش ضلعی اتم‌های کربن است که چهار اتم کربن در یک سلول واحد دارد. برای گروه تقارنی D^۴_۶h گرافیت تک کریستال، مد ارتعاشی E_۲g به شدت رامان اکتیو است و فقط یک پیک رامان در (cm^-۱)۱۵۸۲ دارد. شکل ۱ ساختار مد E_۲g گرافیت را نشان می‌دهد که مرتبط با باند G است.

برای ماده کربن سیاه با ساختار میکروکریستالی آمورف، پیک دیگری در محدوده (cm^-۱) ۱۳۵۰ مربوط به باند D نیز ظاهر می‌شود. پیک موجود در (cm^-۱) ۱۳۵۰ به اختلال ساختار در نزدیکی لبه میکروکریستال نسبت داده می‌شود که ساختار تقارن را از بین می‌برد. بنابراین،‌ نسبت شدت پیک رامان I_D/I_G می‌تواند برای مشخص کردن درجه بی نظمی مواد گرافیتی استفاده شود. محققان همچنین معتقدند که برای اندازه دانه‌های بزرگتر از ۲ نانومتر، I_D/I_G با اندازه دانه ماده کربن سیاه نسبت معکوس دارد. شکل ۲ طیف رامان سه نمونه کربن سیاه مختلف را با باند D و G مشخص شده نشان می‌دهد.

نکته حائز اهمیت در هنگام آنالیز مواد کربنی با میکروسکوپ رامان این است که چگونه بهترین و مناسب ترین لیزر را برای طیف سنجی رامان انتخاب کنیم؟ معمولا در نمونه‌های کربنی برای جلوگیری از ایجاد فلورسانس از لیزر ۵۳۲ نانومتر استفاده می‌شود. شکل ۳ تصویری از میکروسکوپ رامان تکرام با لیزر ۵۳۲ را نشان می‌دهد.

پس از طیف گیری رامان، تصحیح زمینه طیف و تحلیل پیک با استفاده از آنالیزهای نرم افزاری انجام می‌شود. هر فلورسانسی که ممکن است همراه سیگنال رامان باشد، می‌تواند توسط تابع تصحیح خط پایه حذف شود. شکل ۴ طیف رامان کربن سیاه را قبل و بعد از اصلاح زمینه طیفی نشان می‌دهد. پس از اصلاح زمینه طیف، به راحتی می‌توان شدت‌های پیک رامان را با استفاده از تابع تحلیل پیک به دست آورد. سپس می‌توان نسبت شدت پیک رامان باند D و باند G را محاسبه کرد.

شکل ۵ طیف رامان سه ماده کربن سیاه مختلف را پس از اصلاح خط زمینه (بک گراند) نشان می‌دهد. موقعیت‌های پیک باند D و G، شدت پیک‌ها و نسبت پیک I_D/I_G سه نمونه در جدول ۱ نمایش داده شده است.

یکی از ویژگی‌های باند D که آن را جالب‌تر می‌کند این است که موقعیت باند D مستقل از طول موج لیزر تحریک نیست. زمانی که لیزر تحریک از ۴۸۸nm به ۶۴۷nm تغییر کند، موقعیت پیک باند D از (cm^-۱) ۱۳۶۰ به (cm^-۱) ۱۳۳۰ تغییر می‌کند.

هنگام استفاده از تحریک لیزری ۵۳۲ نانومتری موقعیت پیک باند D در محدوده (cm^-۱) ۱۳۳۷ است. برای نمونه C_۱ و C_۲، نسبت I_D/I_G کمتر از یک است که نشان می‌دهد این مواد کربن سیاه دارای درجه‌ای از اختلال هستند که در محدوده معمول گرافیت میله‌ای (C_۱) و گرافیت پودری‌ (C_۲) قرار دارد. برای نمونه  C_۳، نسبت I_D/I_G بزرگتر از یک است که نشان می‌دهد نمونه دارای درجه بالاتری از اختلال است.

جمع بندی

در این مقاله شرح دادیم که طیف‌سنجی رامان یکی از موثرترین و سریع‌ترین روش‌ها برای مشخصه یابی کربن سیاه است. حساسیت بالای طیف‌ سنج رامان طیف با کیفیتی از مواد کربن سیاه را با باندهای D و G متمایز ارائه می‌دهد. از طیف‌های رامان می‌توان برای تعیین ساختار استفاده کرد. باند G میزان نظم گرافیت در شکل تک بلوری آن را نشان می‌دهد. وجود باند D به سطحی از بی‌نظمی ساختار بلوری با کاهش تقارن کربن sp^۲ مربوط است. نسبت I_D/I_G هم برای تعیین درجه بی نظمی، تخمین اندازه دانه کربن سیاه و ارزیابی یکنواختی هنگام اندازه‌گیری‌های متعدد در مکان‌های مختلف ماده استفاده می‌شود.

منبع

۱-https://zaya.io/w08de