活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用钴铁浸渍制备超疏水材料

　　超疏水性碳质材料在分离工艺，特殊涂层技术和膜蒸馏中的广泛应用，对于接触角>150°的超疏水炭材料在解决许多与表面和触点的化学和物理性质有关的技术问题方面起着重要作用。由活性炭制成的碳纳米材料可能由于其独特的理化特性而表现出稳定的超疏水特性，可以根据客户要求通过优化工艺变量来进一步控制它们。碳质材料的疏水性主要取决于合成样品的粗糙度和表面化学性质。碳纳米材料在其他材料上的生长会影响合成纳米材料表面的化学性质和粗糙度。因此，应强调合成包含不同类型杂化物的碳超结构，以通过优化其粗糙度和理化性质来确保超疏水性。

　　超疏水材料怎么制作

　　粉末活性炭拥有高的热稳定性，高表面积，可以化学修饰的良好优点，被用于使用乙炔和铁催化剂在化学气相沉积过程。另一方面，对于碳材料结构的修饰，以实现人造的超疏水表面。由于碳纳米材料的聚集性质，超疏水碳纳米材料合成工艺的优化可能会受到阻碍，并且通常包含杂质。混合活性炭的碳纳米材料保持了这两种材料之间的化学相容性，并结合了两者的良好特性。由于基材表面和不同金属簇之间的相互作用，同时组合多于一种催化剂会影响炭材料的特性。我们通过将沉积在活性炭上作为基材的双催化剂(铁/钴)的组合认为可以生产出高收率和有效性能的超疏水材料。

　　活性炭浸渍钴铁

　　将金属催化剂(铁和钴)浸渍在活性炭上。将催化剂溶于C3H6O后，将活性炭与该催化剂-溶剂混合物在玻璃瓶中混合。将含有溶解在C3H6O和活性炭中的催化剂的玻璃瓶内进行超声处理，以蒸发溶剂。使用常规干燥箱将混合物进一步在100℃下干燥过夜。干燥后，将混合物压成粉末。使用干燥器保存由此获得的粉末混合物以防止水分吸附，并送去进一步表征和应用。将所需比例的催化剂与活性炭混合，然后转移到陶瓷舟皿中。然后将该舟皿插入化学气相沉积反应管内。惰性气氛是由氮气在化学气相沉积反应器内流动形成的。首先在这种惰性覆盖条件下将样品加热2小时，以防止燃烧和形成灰烬。然后通入2小时氢气，以确保煅烧样品的还原过程。然后将样品冷却至室温获得材料。

　　制备的超疏水材料样品的疏水性以接触角表示，并在图1中给出。活性炭是一种亲水性材料，测试中活性炭的接触角值为65°，但是使用5%铁作为催化剂生长的超疏水材料的表观接触角值为176°。通过使用钴和铁作为双金属催化剂，接触角值遵循类似的炭产率趋势开始增加，对于合适炭产率，表观接触角为173°(图1b)。这表明更多的炭纳米材料的形成是高疏水性的主要原因。影响的炭纳米材料的表面润湿性的主要两个因素是表面粗糙度和表面化学。炭纳米材料的生长赋予了更大的表面积，并减少了水滴可利用的间隙。同时，较高的炭材料增长导致致密的未官能化的稳定碳原子，该碳原子具有最小的亲和力来吸引水分子。

　　图1：活性炭纳米结构材料的接触角。

　　表面形态分析

　　用FESEM技术分析了合成样品的形态特征。图2a-f显示了放大的50,000倍的六个选定活性炭样品图像。图2c显示了活性炭5的FESM图像，通过使用5%的铁作为单催化剂和40分钟的反应时间，发现炭产率和接触角较高。在此样本中发现了两种类型的碳纳米材料，分别是碳纳米纤维和多壁碳纳米管。图2f显示了活性炭3的FESEM图像，该图像是通过使用4%的钴作为单催化剂和40分钟的反应时间制备的。发现仅使用大量的钴作为催化剂产生非常差的炭产率，这表明材料制备得不怎么好。图2e显示了活性炭4的FESEM图像，该图像是通过使用5%的铁和4%的钴作为双金属催化剂制备的，反应时间为40分钟。该图像表明，使用大量的钴和铁时，主要生成聚集的炭纳米材料和碳纳米纤维，因为这样的实验条件不是优选的。

　　图2：炭纳米材料的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。

　　活性炭用钴铁浸渍制备超疏水材料，使用化学气相沉积工艺以一定比例使用二元金属混合物从大量活性炭中密集生长碳纳米材料。钴和铁催化剂的比例以及反应时间在获得高炭产率和接触角值方面起着至关重要的作用。整个过程在经济上可行，并且成功地从粉末状活性炭合成了具有不同形状的超疏水纳米结构碳。本次使用的催化方法确保了高收率，如果还有什么不太了解的请理解咨询我们。

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