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含氮的活性炭有什么作用

來源：韓研活性炭網(wǎng) 作者：韓研活性炭網(wǎng) 2017-07-20

　　含氮活性炭的制備已經(jīng)受到重視，因?yàn)樗鼈冊贑O 2捕獲和封存(CCS)中的應(yīng)用，因?yàn)?STRONG>活性炭的表面上含有大量的氮原子，并且通過精心控制的炭化可控制孔結(jié)構(gòu)。我們通過使用軟模板輔助自組裝，然后熱分解和活化來報(bào)告高表面積多孔含氮活性炭(NAC)。活化過程是在不同的溫度條件(600-800℃)下使用聚亞胺作為前體進(jìn)行的。發(fā)現(xiàn)韓研出品的一款活性炭具有高比表面積(1900m 2 ?g -1)，所需的微孔尺寸低于1nm，更重要的是具有大的微孔體積(0。98厘米3 ?克-1)。活性炭也顯示出CO的顯著容量2捕獲即，超過6.25和4.87毫摩爾克-1在1.13巴，這是活性炭最高值中的一個(gè)在273K和298K下分別。此外，NAC也顯示出優(yōu)于N 2的 CO 2的優(yōu)異的分離選擇性。

　　大氣中二氧化碳含量的不斷增加是個(gè)很大的問題，由于其對全球變暖和氣候變化的影響。因此，不僅要提高公眾意識，還要制定戰(zhàn)略，盡量減少使用化石燃料和資源的發(fā)電廠煙氣的排放。為了盡量減少對環(huán)境的影響，人為CO 2的煙道氣體的燃燒之后排放必須減小。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在過去的幾十年中，各種固體微孔材料已被用于CO 2捕獲和儲存，例如金屬有機(jī)骨架(MOF)，超交聯(lián)聚合物(HCP)，共價(jià)有機(jī)骨架(COF)，活性炭)，官能化石墨烯，化學(xué)改性的中孔材料，等等。其中活性炭由于其可回收性，可用性，易于合成和強(qiáng)大的表面積吸附，已被廣泛應(yīng)用于二氧化碳捕獲和儲存或通過物理吸附分離的微孔材料。

　　包括活性炭的微孔材料已被視為主管候選二氧化碳捕獲和儲存在環(huán)境溫度下，由于其大的表面積，高的物理和化學(xué)穩(wěn)定性和低密度。為了提高環(huán)境溫度下活性炭對二氧化碳的吸收能力，研究人員增加了表面積并調(diào)節(jié)了適當(dāng)?shù)目讖健Ｄ壳埃恍┭芯咳藛T甚至試圖通過創(chuàng)建特殊的活性位點(diǎn)，如雜原子和不同的有機(jī)基團(tuán)引入到活性炭，以改善在多孔碳和官能團(tuán)被吸附物之間的相互作用，以增加二氧化碳的吸附能力。

　　到目前為止，水熱炭化(HTC)是獲得有用的活性炭材料和制備功能多樣的活性炭材料的好方法，物理和化學(xué)活化技術(shù)已經(jīng)成為制備活性炭的良好方法。在物理活化中，前體材料在高溫下用氣體(CO 2或蒸汽)流化，而在化學(xué)活化中，前體首先被浸漬或與化學(xué)試劑物理混合，然后在惰性氣氛下在目標(biāo)溫度下加熱。為了提高活性炭的孔隙率，應(yīng)考慮許多活化參數(shù)，如碳化溫度，活化劑類型，活化劑與樣品之間的重量比，和炭化的時(shí)間在目標(biāo)溫度下保持等等，所有這些都在活性炭的孔隙發(fā)展自己的意義。但是，尚不清楚哪個(gè)因素對控制活性炭孔隙度的影響最大。

　　許多類型的合成聚合物已被選為炭源，因?yàn)樗鼈兒邪坊缇郾╇?PAN)，三聚氰胺甲醛樹脂，聚吡咯和聚苯胺。氮已經(jīng)成為研究最廣泛的雜原子之一，優(yōu)化用作超級電容器和氣體吸附和儲存的活性炭材料。含氮碳質(zhì)材料通過兩種主要方法制備：后處理和原位法。在前者中，用含氮化合物如氨，尿素和三聚氰胺處理含活性炭以引入氮官能團(tuán)。它通常用于生產(chǎn)各種活性炭，如碳納米管，石墨烯和活性炭。在后一種情況下，許多含氮前體直接用作前體以產(chǎn)生氮官能化碳質(zhì)材料，包括聚苯胺(PNI)，聚吡咯(PPy)，三聚氰胺類似物和聚丙烯腈。然而，由于其路易斯酸性和四極動量，迄今為止，很少研究N摻雜多孔材料的CO 2吸附性能。有人研究了多孔聚亞胺作為前體。具有有序三維周期結(jié)構(gòu)的合成分層大孔N摻雜碳(MCN) 。然而，預(yù)期CO 2在聚合物中與高極性亞胺官能團(tuán)強(qiáng)烈相互作用。活性炭的氣體吸附和解吸不僅取決于高比表面積，微孔體積或孔徑，還取決于材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征。為了產(chǎn)生具有高孔隙率和孔徑的活性炭以促進(jìn)氣體分子的擴(kuò)散和吸附/解吸，大多數(shù)合成通過使用相當(dāng)復(fù)雜和耗時(shí)或使用活化的近似模板的程序來實(shí)現(xiàn)，與模板方法相比，這被認(rèn)為更容易和更便宜。然而，探索一種簡單的合成方法來生產(chǎn)用于CO 2捕獲和儲存的高效多孔材料仍然是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。

　　氮活性炭怎么樣合成

　　合成氮摻雜多孔活性炭(NAC)的總體方法如圖1所示。在第一步中，通過苯胺和苯甲醛在DMSO作為溶劑的存在下反應(yīng)制備亞胺連接的單體。然后，通過Friedel-Crafts反應(yīng)合成超交聯(lián)聚合物，以產(chǎn)生作為活性炭前體的聚亞胺。NACs樣品在范圍溫度范圍(600-800℃)內(nèi)由聚亞胺碳化制備。通過FE-SEM和HRTEM對NAC的形態(tài)特征進(jìn)行了表征。隨著熱解溫度的升高，掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示孔隙率增加。NAC由許多空腔和相對均勻的孔和高度相互連接的子空隙組成，指示在激活期間堿性試劑KOH反應(yīng)后的孔隙率的產(chǎn)生，如圖1所示。2A-C。采用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)進(jìn)一步檢測合成微孔NAC的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征。從圖中可以看出。2(D)中，下聚焦圖像上的亮對比度表示孔位置，而暗對比度核顯示空洞。不過，顯然，N-AC的氮吸附/解吸等溫線如圖1所示。。所有等溫線根據(jù)IUPAC分類非常接近于I型吸附。?

　　可以觀察到相對低壓下的快速N 2攝取(P / P 0 <0.05)，這是微孔材料的典型特征，并且這些活性炭的吸附和解吸等溫線之間沒有有形的滯后回路，這表明它們的超大自然的性質(zhì)從0.01和0.1之間的相對壓力計(jì)算的BET表面積和微孔體積值列于表1。NAC-800顯示最高的BET表面積為1900m 2 ?g -1，總孔體積(Vt)高達(dá)0。98厘米3克-1，而BET比表面積，總細(xì)孔容積為NAC-700(1719米2克-1，0.85厘米3 ?克-1)和NAC-600(1681米2克-1，0.80厘米3 ?克-1)表明，在升高的溫度下在KOH的存在下熱處理賦予表面粗糙度的碳材料，并導(dǎo)致增加的表面積和孔隙率。對于化學(xué)活化，碳樣品的比表面積，總孔體積和微孔體積在較高的活化溫度(800℃)下顯著增加。孔徑分布如圖1所示。這些孔僅僅是具有較少介孔(孔隙，2nm)的微孔，高活性樣品NAC-800顯示出少至2nm的中孔。此外，在所有樣品中，大多數(shù)孔隙小于2nm，表明微孔和中孔范圍內(nèi)的孔隙發(fā)育。NAC-800具有相當(dāng)高的微孔體積，而NAC-700和NAC-600顯示出微孔體積的顯著降低。

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