碳酸鈣等礦物的形成往往會由于熱/質傳遞的阻礙而導致能源消耗，甚至增加安全風險。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，它也表現出比目前最先進的阻垢劑更好的成核抑制效果。實驗表明，GO優越的成核抑制作用歸因于其對離子成核動力學的限制作用，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和二維（2D）平面特征，這分別賦予GO對CO
32-擴散的Ca
2+結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）的溶液體系的電導率與時間的典型曲線和（d）相應的tind值。時間0表示前體溶液的混合完成的時刻。tind的誤差條是標準誤差。溶液濃度：1.13 mM。添加劑濃度：0.2 mg L
–1。
圖2. 碳酸鈣結晶形態的分析。（a） 不同形態碳酸鈣的光學顯微照片、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系統中方解石數量的百分比。溶液濃度：1.13mM。誤差條為標準誤差。
圖3. GO抑制碳酸鈣成核的熱力學和動力學機制。（a） ln t
ind與碳酸鈣成核的σ
–2的關系圖，以及（b）因子b和a對應于碳酸鈣在有/無添加劑（GO
3nm或PAA）的溶液中的均勻成核主導途徑。誤差條是標準誤差。
圖4. ASTs后PtFe-FeNC的結構特征。（a） 不同循環下的歸一化CO汽提曲線。（b） 峰值1和峰值2在不同周期的對應峰值電流。（c） AC-HAADF-STEM圖像PtFe-FeNC@70k具有沿著[111]區軸的模擬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準誤差。
相關研究成果由河北工業大學Guoying Bai等人2024年發表在Langmuir (翻譯：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01629)上。原文：Graphene Oxide Inhibits Calcium Carbonate Nucleation
轉自《石墨烯研究》公眾號
