基于Ti3C2Tx与银纳米复合衬底的变压器油中糠醛拉曼光谱的表面增强方法研究

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变压器油中的糠醛浓度被人们认为是可以反映变压器老化程度的关键指标,因此实现对糠醛快速精确的检测分析是准确评估变压器老化状态的关键,这有助于消除其因老化所带来的安全隐患,并保障电力系统的稳定。而传统的糠醛检测技术诸如高效液相色谱法、分光光度法、比色法等存在操作繁琐、检测周期长或易受干扰等缺陷。表面增强拉曼散射(SERS)技术作为一种可以在单分子水平上分析吸附于贵金属纳米结构表面的物质的表征技术,具有高灵敏度和无需标记即可获取分子指纹信息的能力。且该技术的检测周期短、不易受干扰、操作简便、无需繁琐的预处理过程,是油中溶解糠醛的理想检测手段。在应用SERS技术的过程中,制备性能优异的衬底是实现理想拉曼增强效果的关键,目前常规的衬底材料主要为贵金属纳米结构。作为一种二维纳米材料,MXene凭借其优异的理化性质在SERS领域展现出了极大的应用潜力,因此MXene与常规的金属纳米结构结合而成的复合材料有望成为一种理想的SERS衬底。故本文对变压器油中糠醛拉曼光谱的表面增强方法进行了深入研究,相关的工作主要有:(1)使用柠檬酸钠还原法获得银纳米颗粒,制备AgNPs衬底。将Ti3C2Tx MXene纳米片与银纳米颗粒相结合后制备出Ti3C2Tx/Ag NPs复合衬底。使用SEM电镜和EDS能谱对衬底进行表征,结果显示银纳米颗粒直径约为50 nm,粒径整体较为均匀,在复合衬底上大量银颗粒分布于Ti3C2Tx纳米片的表面,二者结合成为复合结构。且两种衬底的表面清洁度均较高,杂质含量较少。对R6G的测试结果表明,Ag NPs衬底和复合衬底的检测下限分别可达到10-8mol/L和10-10mol/L。(2)使用多元醇法获得银纳米线,并制备出AgNWs衬底,将Ti3C2Tx与银纳米线结合后制备Ti3C2Tx/Ag NWs复合衬底。SEM电镜显示Ti3C2Tx/Ag NWs复合衬底上的银纳米线直径约50 nm,长约100μm,其与Ti3C2Tx较为均匀的结合在一起。EDS能谱检测结果证明衬底具有高清洁度以及较低的杂质含量。对R6G的测试结果表明,Ag NWs衬底和复合衬底的检测下限分别可达到10-9mol/L和10-10mol/L。(3)基于搭建的SERS检测平台,使用R6G、MG、糠醛-变压器油等试剂测试衬底的性能。实验结果表明,引入Ti3C2Tx后的复合衬底相比于银纳米材料衬底具有更佳的拉曼增强效果。且复合衬底呈现出良好的表面均一性、重现性以及稳定性。Ti3C2Tx/Ag NPs复合衬底与Ti3C2Tx/Ag NWs复合衬底对糠醛-变压器油溶液的检测下限分别可达到63.4 mg/L和54.4 mg/L;对糠醛-水溶液的检测下限分别可达到75mg/L和62.5 mg/L。使用最小二乘法对糠醛分子拉曼特征峰强度与其对应浓度进行回归分析,结果显示二者具有良好的线性关系。综上,本文将二维材料Ti3C2Tx MXene与传统的银纳米结构结合成为复合材料,制备了不同结构和形貌的SERS衬底,并对衬底进行表征以及性能测试。经过对比,引入Ti3C2Tx后的复合衬底具有更好的SERS性能,对糠醛-变压器油和糠醛-水溶液的检测结果表明了基于SERS技术,利用结合了Ti3C2Tx与银纳米材料的复合衬底实现对糠醛定量分析的可行性。本文的研究为变压器油中糠醛拉曼光谱的表面增强方法提供了新的思路。
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