Актываваны вугаль сам па сабе з'яўляецца тыповым сітаватым вугляродным матэрыялам. Ён мае высокаразвітую порыстасць, вялікую ўдзельную паверхню і выдатныя адсарбцыйныя характарыстыкі. Ён шырока выкарыстоўваецца ў адсорбцыі, у якасці носьбітаў каталізатараў і для захоўвання энергіі. Порысты вуглярод — гэта больш шырокае паняцце, якое ўключае вугляродныя матэрыялы з мікра-, меза- і макрапорамі. У прыватнасці, іерархічны сітаваты вуглярод мае больш складаную архітэктуру пор і аптымізаваныя характарыстыкі. Строга кажучы, актываваны вугаль ужо адносіцца да катэгорыі сітаватага вугляроду. Аднак як у даследаваннях, так і ў практычных ужываннях у якасці папярэднікаў часта выкарыстоўваецца камерцыйны актываваны вугаль або папярэдне карбанізаваныя матэрыялы. падрыхтаваць порысты вуглярод з перадавымі структурамі. Гэтыя матэрыялы далей апрацоўваюцца шляхам другаснай актывацыі або мадыфікацыі для атрымання іерархічнага порыстага вугляроду з большай удзельнай плошчай паверхні і больш аптымізаваным размеркаваннем памераў пор. Гэты падыход дазваляе распрацоўваць мікра-, меза- і макрапорыстыя структуры. У выніку эфектыўнасць масапераносу і агульная прадукцыйнасць значна паляпшаюцца ў такіх сферах прымянення, як суперкандэнсатары, электракаталіз і адсорбцыя.
У гэтым артыкуле прадстаўлены асноўныя метады, механізмы, этапы апрацоўкі і перспектывы прымянення для атрымання порыстага вугляроду на аснове актываванага вугляроду.
Адрозненні паміж порыстым вуглём і актываваным вуглём
- Актываваны вугаль: Звычайна падрыхтоўваецца фізічным або хімічны актывацыя, у якой пераважаюць мікрапоры. Удзельная плошча паверхні звычайна вагаецца ад 500 да 3000 м²/г. Нягледзячы на высокую порыстасць, размеркаванне памераў пор адносна простае.
- Порысты вуглярод: Агульны тэрмін для вугляродных матэрыялаў з рознымі структурамі пор, у прыватнасці, іерархічнага порыстага вугляроду, які змяшчае мікрапоры (<2 нм, якія забяспечваюць вялікую плошчу паверхні), мезапоры (2–50 нм, якія спрыяюць масапераносу) і макрапоры (>50 нм, якія служаць транспартнымі каналамі). Такія матэрыялы часта маюць большую плошчу паверхні і больш аптымізаваныя сеткі пор.
Выкарыстанне актываванага вугалю ў якасці папярэдніка для атрымання порыстага вугляроду, па сутнасці, з'яўляецца працэсам другаснай актывацыі або рэактывацыі, накіраваным на далейшае травленне і карэкціроўку структуры пор.
Папярэдняя апрацоўка папярэднікаў: Звыштонкага памолу
Перад другаснай актывацыяй актываванага вугалю важным этапам папярэдняй апрацоўкі звыштонкае памолванне можа значна палепшыць эфектыўнасць актывацыі і характарыстыкі атрыманага порыстага вугляроду.
прынцып:
Прамысловы актываваны вугаль звычайна грануляваны, з памерамі часціц ад дзясяткаў да соцень мікраметраў. Нягледзячы на тое, што яго ўнутраная порыстая структура добра развіта, дыфузія актывуючых агентаў (такіх як KOH) абмежаваная. Ультратонкае памолванне зніжае памер часціц да мікроннага або нават субмікроннага маштабу (<10 мкм), павялічваючы плошчу вонкавай паверхні, адкрываючы больш актыўных цэнтраў і спрыяючы раўнамернай прапітцы і рэакцыі з актывуючым агентам. Акрамя таго, механічныя сілы ўносяць дэфекты ў вугляродны каркас, павялічваючы яго рэакцыйную здольнасць.
Агульнае абсталяванне:
- Шаравыя млыны: Планетарныя або вібрацыйныя шаровыя млыны, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў лабараторных і прамысловых маштабах.
- Рэактыўныя млыны або паветраныя класіфікацыйныя млыны: Выкарыстоўваецца для ультратонкага драбнення з мэтай атрымання часціц мікраннага або нават нанапамеру.
Эфекты і перавагі:
- Больш дробныя часціцы прыводзяць да больш раўнамернай прапіткі KOH; пасля актывацыі ўдзельная плошча паверхні можа павялічыцца на 20–501 TP3T, з большай доляй мезапор.
- Даследаванні паказалі, што папярэдняя апрацоўка ў шаравым млыне можа аптымізаваць іерархічныя структуры пор і палепшыць эфектыўнасць іённага транспарту.
Спосабы падрыхтоўкі
Асноўнымі метадамі атрымання порыстага вугляроду з папярэднікаў актываванага вугляроду з'яўляюцца хімічная рэактывацыя, метады з дапамогай шаблонаў і камбінаваная фізіка-хімічная актывацыя. Сярод іх найбольш шырока выкарыстоўваецца хімічная рэактывацыя з дапамогай KOH.
Хімічная рэактывацыя KOH (найбольш распаўсюджаная)
прынцып:
Пры высокіх тэмпературах KOH рэагуе з вугляродам, утвараючы газы (такія як CO і CO₂) і калійзмяшчальныя злучэнні, якія разбураюць вугляродны каркас і ствараюць новыя пары. Адначасова пары калію пранікаюць паміж вугляроднымі пластамі, яшчэ больш пашыраючы структуру пор.
Спрошчаныя механізмы рэакцый:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Наступныя рэакцыі аднаўлення генеруюць металічны K, што яшчэ больш павялічвае пары.
Этапы працэсу (у спалучэнні з ультратонкім памолам):
- Ультратонкае здрабненне актываванага вугалю для атрымання дробнага парашка.
- Змешванне ультратонкага актываванага вугалю з растворам KOH (тыповае суадносіны мас KOH/вугаль: ад 1:1 да 4:1) і стараннае перамешванне або здрабненне.
- Сушка з наступнай актывацыяй пры высокай тэмпературы ў інэртнай атмасферы (N₂ або Ar) пры тэмпературы 600–900 °C на працягу 1–3 гадзін.
- Астуджэнне, затым прамыванне разведзенай кіслатой (напрыклад, HCl) для выдалення рэшткаў каліевых злучэнняў, а затым прамыванне вадой да нейтральнай рэакцыі.
- Сушка для атрымання іерархічнага порыстага вугляроду.
Асноўныя фактары ўплыву:
- Суадносіны KOH: Больш высокія суадносіны павялічваюць плошчу паверхні, але празмернае ўтрыманне KOH можа прывесці да структурнага калапсу.
- Тэмпература актывацыі: Аптымальнай тэмпературай часта з'яўляецца каля 800 °C; больш высокія тэмпературы спрыяюць утварэнню мезапор.
- Час актывацыі: Занадта доўгі час можа прывесці да празмернага травлення вугляроду і зніжэння выхаду.
- Папярэдняе шліфаванне: Значна паляпшае аднастайнасць актывацыі.
Тыповая прадукцыйнасць:
Можна атрымаць іерархічны сітаваты вуглярод з удзельнай плошчай паверхні >2000 м²/г і аб'ёмам пор >1 см³/г, які шырока выкарыстоўваецца ў якасці электродаў суперкандэнсатараў.
Іншыя хімічныя актыватары
ZnCl₂ або H₃PO₄: Падыходзіць для далейшага развіцця мезапор, хоць і з меншым выхадам.
K₂CO₃: Больш мяккі актыватар, прыдатны для атрымання порыстага вугляроду з больш высокай графітызацыяй.
Паўторная актывацыя з дапамогай шаблону
Актываваны вугаль можна спалучаць з цвёрдымі шаблонамі (напрыклад, наначасціцамі SiO₂, MgO) або мяккімі шаблонамі (павярхоўна-актыўнымі рэчывамі) з наступнай актывацыяй KOH.
- Працэс: Прапітканне актываваным вуглём шаблонам і KOH → высокатэмпературная карбанізацыя → выдаленне шаблона (HF або кіслотная прамыўка).
- Перавагі: Больш упарадкаваныя структуры пор і лепшы кантроль над суадносінамі меза- і макрапор.
Фізічная рэактывацыя
Другасная актывацыя з выкарыстаннем CO₂ або пары пры высокіх тэмпературах можа дадаткова развіць мікрапоры, але эфектыўнасць звычайна ніжэйшая, чым у хімічных метадаў.
Тыповыя выпадкі і прадукцыйнасць
- Актываваны вугаль на аснове вугалю пасля ультратонкага драбнення і рэактывацыі KOH можа даваць іерархічны сітаваты вуглярод з плошчай паверхні да 3000 м²/г, прыдатны для электракаталізу рэакцыі аднаўлення кіслароду (ORR).
- Актываваны вугаль, атрыманы з біямасы (напрыклад, вугаль з какосавай шкарлупіны), пасля рэактывацыі можа ўтвараць іерархічны сітаваты вугаль з удзельнай ёмістасцю 300–400 Ф/г у суперкандэнсатарах.
- Даследаванні паказваюць, што рэактываваныя матэрыялы часта маюць сотападобныя іерархічныя порыстыя структуры, якія спрыяюць транспарту іонаў і дыфузіі газаў.
Перспектывы прымянення
- Захоўванне энергіі: Суперкандэнсатары, аноды літый-іённых акумулятараў.
- Электракаталіз: Рэакцыя выдзялення кіслароду (РВК) і рэакцыя аднаўлення кіслароду (РАК).
- Адсорбцыя і падзел: Улоўліванне CO₂, выдаленне цяжкіх металаў, адсорбцыя фарбавальнікаў.
- Экалагічная ўстойлівасць: Рэактывацыя адпрацаванага актываванага вугалю для перапрацоўкі рэсурсаў.
Заключэнне
Выкарыстанне актываванага вугалю ў якасці папярэдніка для атрымання порыстага вугляроду з'яўляецца эфектыўным падыходам другаснай апрацоўкі, асабліва ў спалучэнні з ультратонкім памолам і хімічнай рэактывацыяй KOH. Ультратонкі памол адыгрывае ключавую ролю ў паляпшэнні аднастайнасці актывацыі і развіцці структуры пор.
Эпічны парашок’абсталяванне для ультратонкага памолу, у тым ліку шаровыя млыны і класіфікатар паветра млыны могуць здрабніць актываваны вугаль да мікронных або субмікронных памераў, павялічваючы дыфузію KOH і эфектыўнасць рэакцыі. Гэта дазваляе стабільна атрымліваць іерархічны сітаваты вуглярод з высокай удзельнай плошчай паверхні і аптымізаваным размеркаваннем памераў пор.
Дзякуючы надзейным і маштабуемым рашэнням для апрацоўкі парашка, Epic Powder падтрымлівае прамысловую падрыхтоўку высокапрадукцыйнага порыстага вугляроду для захоўвання энергіі, каталізу і адсорбцыі.
«Дзякуй за чытанне. Спадзяюся, мой артыкул будзе карысным. Калі ласка, пакіньце каментар ніжэй. Вы таксама можаце звязацца з прадстаўніком службы падтрымкі кліентаў Zelda онлайн, калі ў вас ёсць дадатковыя пытанні».
— Апублікавана Эмілі Чэн