元素分析：对石墨烯材料进行表征

2023-04-12 10:13:36, 大昌华嘉大昌华嘉科学仪器

简介

石墨烯是单层石墨。它是单原子厚的碳原子层，排列在扁平的六边形晶格结构中。几个世纪以来，人们一直通过铅笔芯来使用石墨烯。石墨烯薄而轻，同时强度比最强的钢强200倍，并且它具有很高的导热性和导电性。这些特性使得石墨烯被用于半导体、电子、电池能源和复合材料行业中，并用于触摸屏组件、水过滤系统、医疗用传感器等等。

元素分析是表征石墨烯以评估其质量的关键。通过燃烧分析碳、氮、氢、硫元素和通过热裂解测定氧元素，常用于在质量控制和研发方面对该行业原材料和最终产品进行表征。通过使用准确与自动化的分析技术，来实现具有出色重现性的快速分析是非常必要的。

CHN/O模式的赛默飞世尔科技™ FlashSmart ™元素分析仪基于样品的动态燃烧，可在单次运行中同时测定 CHN三种元素，并通过热裂解在后续的第二次运行中测定氧元素。 FlashSmart 元素分析仪（图1）配备了两个完全独立的反应炉，允许安装两个分析回路，分别用于 CHN分析和O分析，可以连续使用，并通过赛默飞世尔科技™MVC ™模块实现自动化控制（图2）。每个分析回路都有各自的自动进样器。通过这种方式，系统可以轻松满足实验室要求，例如准确性、重复性和高样品通量。

图1. 赛默飞世尔科技FlashSmart元素分析仪

图2. MVC模块

专有的MVC模块还可以在仪器处于待机模式时从氦气切换到氮气或氩气，从而确保极低的氦气消耗。通过这种方式可以让分析成本大大降低。

赛默飞世尔科技FlashSmart 元素分析仪和火焰光度检测器（FPD）可以准确测定低含量硫元素。该方法结合了元素分析仪的优点和FPD检测器的灵敏度，选择性和稳定性。两者连接方式简单，它允许在同一系统中测定高浓度和低浓度（5-10 ppm）的总硫，并且没有基质效应。

方法

对于CHN测定，FlashSmart 分析仪通过样品的动态闪燃运行测试。样品称量于锡胶囊中，并通过赛默飞世尔MAS™ Plus自动进样器和氧气一起引入反应管（左炉）。燃烧后，产生的气体通过氦气流输送经过铜丝，然后通过气相色谱柱，使得燃烧气体混合物的各组分能够相互分离。最后，它们由TCD检测器检测。总运行时间小于7分钟（图 3）。

对于痕量硫分析，燃烧后产生的气体通过氦气流输送经过催化剂、铜丝和除水管。气体流经一根较短的气相色谱柱，最后由FPD检测器检测（图4）。

图3. FlashSmart CHN/O 配置

图4. 硫元素检测配置（FPD）

对于氧元素测定，系统以热裂解模式运行。样品称量于银胶囊中，并通过MAS Plus自动进样器引入热裂解炉（右侧炉）。反应管中的镀镍碳温度维持在1060°C。样品中的氧元素与碳反应生成一氧化碳，然后通过气相色谱柱与其他产物分离，并通过TCD检测器检测（图3）。

赛默飞世尔科技™ EagerSmart ™数据处理软件会自动生成一份完整的报告，并在分析结束时显示。

用于CHN和氧元素测定的气路都已在系统中预设好，以便通过 MVC模块自动切换。过程由EagerSmart 数据处理软件控制，无需人工干预。控制MVC模块的EagerSmart 数据处理软件窗口（图5）显示了如何从左炉切换到右炉，以便从CHN测定模式切换到进行氧元素分析。它还显示当仪器处于待机模式时如何从氦气切换到氮气或氩气。

图5. EagerSmart 数据处理软件上的MVC模块管理窗口

结果

对于CHN测定，仪器使用乙酰苯胺标准品校准，而对于氧分析则使用BBOT标准品（2,5-双(5-叔丁基-2-苯并恶唑基)噻吩）。在这两种模式下都使用了K因子作为校准方法。图6显示了石墨烯的主要元素碳的校准曲线。图7显示了典型的CHN色谱图，图8显示了典型的氧色谱图。

图6. 碳校准曲线

图7. 典型的CHN色谱图

图8. 典型的氧色谱图

为了验证石墨烯作为高含碳样品的完全燃烧，碳元素测定通过三种有机标准品和碳介孔参考物质（99.95 C%，Aldrich）进行评估。表1显示了三种高含碳有机标准品的数据，表 2显示了碳介孔参考物质的数据。获得的数据具有良好的重复性，平均值与预期值相当，并且落在 FlashSmart 分析仪的技术规格范围内，表明样品完全氧化。

表1. 含高碳有机标准品的碳数据