活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　为了探索活性炭化学表面改性引起的效应，研究人员已经在各种实际应用中开发了改性活性炭（表1）。本期介绍活性炭的一些应用领域。

　　表1：活性炭的几种改性方法。

　　活性炭作为超级电容器

　　化学表面改性的活性炭广泛用作储能装置。前材料使用同时化学(KOH)和物理(CO 2)活化方法生产活性炭。然后使用过氧化氢(H 2 O 2)，硝酸(HNO 3)和硫酸(H 2 SO 4)对所获得的碳基材料进行表面氧化。作为改进的结果，未观察到最终样品的纹理特征的显着变化，但表面的化学特性表现出明显的变化。在活性炭的表面上引入了新的官能团，导致HNO 3处理的碳中的比电容增强。在另一个实验中，使用其他原材料的KOH活化的活性炭。改性的活性炭在表面上诱导氧和氮基团。实验结果表明，富含氮的活性炭表现出较高的电容比掺氧的活性炭强很多。这些结果表明，富氧活性炭中的表面羧基官能团阻止电解质扩散到多孔网络中，而氮基团的存在可以产生微中孔性和优异的伪电容性质。此外，HNO 3改性多孔木碳单块可用于超级电容器。结果表明，与原始碳材料相比，电化学电容性能显着提高。

　　活性炭作为二氧化碳吸附剂

　　使用氨改性活性炭能对二氧化碳快速吸附，是作为提高其CO 2获取能力的替代方法。表面改性的活性炭的主要属性是引入氮气的功能性，其表现出强碱性，可以诱导路易斯酸碱相互作用与酸性二氧化碳分子。这提高了吸附性能。然而，CO 2之间的化学相互作用非常强分子和吸附剂表面可导致不良的吸附剂再生并且在经济上是不利的。因此，适度的物理吸附是有效吸附气体分子并在需要时释放它们的理想相互作用。

　　活性炭作为有机污染物吸附剂

　　研究表明，与金属相比，活性炭广泛用于吸附有机分子。有助于活性炭的高吸附性能的主要因素包括其优异的纹理特征和合适的表面官能团的产生。据大家了解，富氧的酸性表面可以减少水性介质中有机物质的吸附，而它们的缺失会提高活性炭的吸附性能。在碳表面上引入的弱酸性官能团可以增加金属吸附能力，同时降低酚类化合物在水性环境中的吸附。这实验表明，在高浓度的表面酸性基团中苯酚物理吸附减少，这可能是由于碳基面的分散力降低。这表明，随着碳表面基面上π电子的可用性增加和吸附位置的氧含量降低，苯酚吸附增加。其他一些研究通过水优选与氧部分的氢键吸附在活性炭表面上的事实解释了苯酚的吸附减少。这导致形成阻碍酚分子进入微孔结构的大团簇。这些氧簇随后通过在碳中定位自由电子来降低吸附性能。其他机制表明吸附电子和吸附质的芳香结构之间产生两种相互作用，即π-分散和静电相互作用。迄今为止，几乎所有涉及从水溶液中去除有机物的实验研究都使用苯酚和苯衍生化合物作为模型研究。除表面化学外，还应考虑其他因素，如溶液的pH值，溶液的温度，吸附剂的类型，氧气的有效性和矿物质含量，以便有效去除废水中的有机污染物。

　　活性炭作为染料吸附剂

　　在过去的几十年里，纺织和染料工业正在取得重大进展。然而，从废水中去除多余的染料仍然是研究人员的一项挑战性任务。我们分别用6M和10M硝酸和过氧化氢检测表面改性的活性炭，同时在700℃下在H 2或N 2气氛中加热。结果表明，在高温下用H 2处理制备的样品表现出优异的吸附阴离子和阳离子染料的能力。在另一个有趣的实验中，使用两种纺织染料在酸改性的活性炭表面和碱性碳表面上吸附。吸附能力表明，由于碳基面中的局域π电子与染料分子中的自由电子之间的分散力，基本表面在染料吸收中起到有益作用。另一方面，酸处理的样品由于碳表面的氧化官能团和染料分子之间存在排斥力而表现出降低的吸附。相反，这些结果不能应用于所有纺织染料。一些染料表现出降低的吸附性和增加的基本特性。在此，酸性红73和酸性黄23显示出改善的摄取，但酸性蓝74表现出降低的摄取。然而，这些染料主要由有机结构组成。因此，可以制定一般假设增加活性炭表面的酸性官能团应导致染料吸收减少。经过实验发现，活性炭持续暴露于臭氧气体中作为氧化剂将碱性表面位置转变为酸性表面位点。因此，亚甲蓝的吸收减少。通过氧化可以从活性碳带释放电子这一事实进一步阐述了这一点，这降低了染料环结构中的π电子系统与碳表面上的石墨平面之间的色散相互作用。

　　在另一个实验中，使用2M硝酸和盐酸来改性碳表面。使用了这些碳，研究亚甲蓝的摄取能力。使用HCl和HNO 3处理分别使吸附容量降低了10.6%和13.5%。得出结论，类似的机制是造成这些结果的原因，其中在活性炭和电子表面形成酸官能团，从而减少了亚甲蓝的吸收。他们进一步解释了使用这两种酸导致的活性差异。用HCl处理的碳比用HNO 3处理的碳表现出更大的吸收。这可归因于负离子(Cl -)可以吸附在碳表面上的正位点上，并且可以在碳表面上诱导负电荷，从而促进带正电荷的染料分子的吸附。然而，与这些实验相反，也有人声称浓H 2SO 4的高温氧化可导致亚甲蓝吸附增加。这可以通过高温改性后增加的中孔体积来证明，这可以导致染料吸附增强。

　　我们对于活性炭改性应用的期望有哪些，开发经济上廉价的活性炭电极，其能够以最小的电阻存储大量能量。类似地，碳基材料具有增强CO 2的基本表面吸收是为了缓解全球变暖，是非常需要的。另一方面，需要进一步研究具有表面活性剂改性的活性炭以消除来自水性介质的污染物，以获得优异的性能，因为该领域的实验结果是有限的。此外，考虑到特定污染物的吸收增加和减少的影响，可以诱导选择性吸附，这为清洁能源和环境科学领域提供了新的途径。除了这些研究结果之外，重要的缺点是改性过程的成本和改性过程中使用的剩余危险化学品的处理。在回收吸附剂时，应注意用于改性的化学品不应进入大气，须要回收。吸附剂应用于循环测量并易于再生。牢记所有这些要点，该领域需要简单，新颖，简单和更环保的技术来改性活性炭。

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