表面增强拉曼光谱技术用于检测二氧化碳中的水分变化

《ACS Applied Engineering Materials》：Surface-Enhanced Raman Detection of the CO2 Moisture Swing

湿度摆动吸附剂通过湿度驱动的离子水解实现CO2可逆捕获，本研究采用原位表面增强拉曼光谱（SERS）技术实时监测两种吸附剂中CO3^2?、HCO3^?和OH^?的动态转化，验证了湿度依赖的阴离子物种互变机制，并证实SERS可作为CO2捕获介质的高效在线诊断工具。

　　

开发可扩展、节能的二氧化碳（CO₂）捕获技术对于实现净零排放至关重要。湿度摆动（MS）吸附剂通过湿度驱动的离子水解作用实现二氧化碳的可逆结合，为传统热再生方法提供了一种有前景的替代方案。在这项研究中，我们利用吸附测量和原位表面增强拉曼光谱（SERS）技术，研究了两类MS材料中的阴离子种类动态——一种含有碳酸氢根阴离子的阴离子交换树脂以及浸渍了碳酸氢钾盐的活性炭。我们使用镀镍的银纳米线作为SERS基底，以增强信号强度，并能够在空气和氮气氛围中控制湿度条件下实时检测碳酸根（CO₃^2–）、碳酸氢根（HCO₃^–）和氢氧根（OH^–）离子。研究结果表明，阴离子种类之间存在依赖湿度的相互转化，且伴随着显著的光谱位移，这证实了驱动MS机制的可逆水解反应。在潮湿条件下，我们观察到碳酸氢根离子的减少以及碳酸根离子的增加，这与二氧化碳的湿度诱导解吸过程一致。对于活性炭样品，我们还观察到了氢氧根离子的形成。这些发现不仅验证了MS吸附剂中湿度驱动的阴离子交换机制模型，还展示了SERS作为操作过程中诊断工具在监测二氧化碳捕获介质方面的实际潜力。能够在真实环境条件下分辨并半定量评估碳酸根、碳酸氢根和氢氧根离子的可逆转化过程，为下一代用于直接空气捕获应用的吸附材料的合理设计、性能优化和质量控制提供了宝贵的见解。