活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭孔隙度纳米形态，我们了解活性炭是广泛使用的吸附剂，但是纳米形态仍然还需要探索。尽管如此，最近在表征活性炭的微孔性和碳质结构方面取得的进展在这些材料共同的框架中得到了实验证据。通过绘制使用DR方法计算出的平均孔径与其相应的特定微孔体积的关系曲线，由各种前体制备并用不同常规方法活化的活性炭根据三个线性区域自行聚集。在同样的表示中，经过瞬态氧化处理的活性炭也导致线性行为，但具有非常高的斜率。在目前的研究中，提出了基于结构填充方法的简单几何孔隙度模型，并在KOH和CO2活化的活性炭和经过改性的椰壳活性炭上进行了测试。常规活化过程似乎主要涉及相邻结构表面之间可能存在的狭缝状孔隙，而瞬时氧化处理主要涉及相邻结构边缘之间可能存在的星状孔隙。因此将可以在其它材料活性炭上进行测试。

　　活性炭是广泛的吸附剂，涉及各种工业和家庭应用。其中一些大型工厂已经使用活性炭很长时间，比如水厂，废气处理。而新的特殊应用正处高速发展中：汽车用天然气储存，燃料电池用储氢器，冷却系统用二氧化碳储存器等。对于这样的工艺过程，需要针对平均孔径(Lo)，孔径分布(PSD)和特定微孔体积(Wo)量身定制的活性炭。适用于涉及活性炭的特定工业应用的工艺优化的理论方法显示了整个工艺性能如何通过活性炭微孔纹理剪裁来提高。

　　已经提出了通过使用许多物理和化学精制工艺活化的各种来源的活性炭前体，导致多种多孔特征：平均孔径，特定微孔体积，表面积和密度。此外，还提出了孔径扩大或缩小的后期加工技术，以获得所需的定制多孔结构活性炭。尽管如此，尽管有这些众多的成果，但活性炭材料在其纳米结构方面，特别是其孔形态和孔壁结构方面仍然不甚了解。在最近的研究发现，大部分活性炭纹理根据三个线性域聚集：碳分子筛域，通过常规活化方法获得的活性炭的结构域，微孔率差的活性炭的结构域。这证明了这些材料在它们的纹理参数中所共有的一些普遍关系，尽管它们在前体起源和制定路线上有多样性。

　　使用孔壁结构和孔隙形态的简单模型来找出这种关系的可能结构基础。在活性炭中遇到的多孔结构的原始但共同的图像在于形成各向同性且空间均匀的圆柱形孔隙的网络，如在多孔刚性海绵中。在图1a所示的更现实的方法中，一些作者已经考虑了这些圆柱形孔径的径向分布，这些圆柱形孔径从大孔向颗粒外表面开放，然后是参与传质的中孔并终止于主要负责吸附的微孔材料的容量。图1b展示了一个非常不同的孔隙度模型，它基于皱巴巴的纸张形态。构成的含碳芳香族片材和带状物像纸一样弯曲和起皱，导致它们之间的分子尺寸的可变间隙，这些是宏观的和中孔多于微孔的。在这个模型中，有关孔隙度最终可以被认为是狭缝形状。如图1c 和1d所示，所谓的狭缝状孔隙方法已经被广泛开发。这种孔隙表示的选择可能是由于其导致最简单计算的能力而与其他模型相比。实际上，从亚纳米到毫米尺度的碳材料多尺度组织研究需要量化数据。

　　图1：活性炭孔隙率模型，(a)径向分布圆柱孔网，(b)皱纸，(c-d)狭缝状孔，(e)立方体状狭缝状孔，(f-g)微晶方法。

　　活性炭整体微孔性这三种孔状纳米形态与相应的圆柱形结构之间的简单几何配置相对应，允许与实验性质地数据直接比较。在实际的活性炭中，结构呈现了层叠数量，层间距和层长度的分布。而且，结构通过各种各样的结合物连接在一起，其形状大致为圆柱形。因此，通过使用通过HRTEM图像的图像分析获得结构的统计数据来改进所提出的模型。而且，在真正的吸附剂中，孔隙连接在一起并且不被认为是隔离的体积。在动力学研究中，这一事实是非常重要的，因为动力学研究的差异动力学可能会导致一些影响。由于本研究中使用的所有实验数据都是在热力学平衡下测量的，因此这种孔相互作用对所考虑的参数没有影响。活性炭孔隙度的表征必须通过孔隙的非均匀性来考虑，而不是单一的狭缝状孔隙模型。在低气压下，首先填充较高吸附电位的孔隙，然后依次通过降低电位的孔隙填充。因此，如果各种孔隙性质的吸附势的分布不同，则应在相应的等温线上观察到连续的体系。

　　图2：活性炭纹理图和拍面/面狭缝状孔模型估计，(-)n=10，(- - -)n=0，(粗线)活性炭结构域。

　　活性炭孔隙率遵循三个线性结构域所示的常见趋势。这一事实表明存在着由不同前体和精制路线的固体部分共同形成的共同形态。根据这些多孔固体的近期和各种已发表的特征，它们的孔壁由基本结构单元的空间排列构成，所述基本结构单元由层叠的石墨烯层组成。为了减少模型中的参数数量，结构被描述为圆盘状颗粒，其直径的特征在于石墨烯层中涉及的苯环的数量，并且其厚度由堆叠层的数量和层间距离。用于工业宏观尺寸盘状颗粒堆积的可用经验相关性已经应用于那些纳米级结构，导致在chars和碳分子筛观察到的实验微孔体积范围内的值。

　　传统的KOH和CO2活化的活性炭和改性椰壳活性炭。对应于可用的孔隙率在两个结构面向所谓狭缝状孔模型之间，导致取决于大多涉及堆叠的层的数量，并在较小程度上的结构直径三个常规纹理域。域II中，通常常规活性炭的特性，既受涉及制成图3个4的聚芳族层结构狭缝状孔模型描述。最后的结果与在各种活性炭上进行的显微镜测量结果非常吻合。非常规的激活过程如氧化循环处理导致非常高的斜率的纹理曲线Lo对Wo。狭缝状孔隙模型不能使用合理的结构几何参数范围产生这样的值。事实上，氧化处理只涉及存在于结构边缘的外围碳原子。在实验条件下，基础聚芳族平面的分子氧和碳原子不能一起反应。因此，只有涉及至少一个结构边缘的孔隙模型可以适用于从这种处理获得的数据。已经显示出两种简单的孔隙度纳米形态在所考虑的范围内导致结构斜率：涉及微晶边缘和同源面孔的面/边缘孔隙，并且边缘/边缘孔仅涉及同源结构的边缘。这些结果将通过研究孔隙拓扑结构和几何参数分布结构效应来完成。由于本研究仅使用KOH和CO2活化的活性炭和椰壳活性炭，所提出的模型不被视为普遍。因此，可以尝试用不同的原材料和不同的活化方法来制成活性炭测试孔隙度。

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