Carbón activado Es un material de carbono poroso típico. Presenta una estructura porosa altamente desarrollada, una gran superficie específica y un excelente rendimiento de adsorción. Se utiliza ampliamente en adsorción, soportes de catalizadores y almacenamiento de energía. Carbono poroso Es un concepto más amplio que incluye materiales de carbono con microporos, mesoporos y macroporos. En particular, el carbono poroso jerárquico presenta una arquitectura de poros más compleja y un rendimiento optimizado. En sentido estricto, el carbón activado ya pertenece a la categoría de carbón poroso. Sin embargo, tanto en la investigación como en aplicaciones prácticas, se suele utilizar carbón activado comercial o materiales precarbonizados como precursores. para preparar carbón poroso Con estructuras avanzadas. Estos materiales se someten a un tratamiento adicional mediante activación secundaria o modificación para producir carbono poroso jerárquico con una mayor superficie específica y una distribución de tamaño de poro optimizada. Este enfoque permite el desarrollo de estructuras micro, meso y macroporosas. Como resultado, la eficiencia de transferencia de masa y el rendimiento general mejoran significativamente en aplicaciones como supercondensadores, electrocatálisis y adsorción.
Este artículo presenta los principales métodos, mecanismos, pasos de procesamiento y perspectivas de aplicación para preparar carbón poroso a base de carbón activado.
Diferencias entre el carbón poroso y el carbón activado
- Carbón activado: Generalmente preparado por medios físicos o químico Activación, dominada por microporos. La superficie específica suele oscilar entre 500 y 3000 m²/g. Si bien es muy porosa, su distribución del tamaño de poro es relativamente simple.
- Carbono poroso: Término general para materiales de carbono con diversas estructuras porosas, en particular el carbono poroso jerárquico, que contiene microporos (<2 nm, que proporcionan una gran área superficial), mesoporos (2–50 nm, que facilitan la transferencia de masa) y macroporos (>50 nm, que sirven como canales de transporte). Estos materiales suelen presentar áreas superficiales mayores y redes porosas más optimizadas.
El uso de carbón activado como precursor para preparar carbón poroso es esencialmente un proceso de activación secundaria o reactivación, cuyo objetivo es grabar y adaptar aún más la estructura del poro.
Pretratamiento de precursores: Molienda ultrafina
Antes de la activación secundaria del carbón activado, la molienda ultrafina es un paso de pretratamiento importante que puede mejorar significativamente la eficiencia de activación y el rendimiento del carbón poroso resultante.
Principio:
El carbón activado comercial suele ser granular, con tamaños de partícula que varían de decenas a cientos de micrómetros. Si bien su estructura porosa interna está bien desarrollada, la difusión de agentes activadores (como el KOH) es limitada. La molienda ultrafina reduce tamaño de partícula A escala micrométrica o incluso submicrométrica (<10 μm), aumenta la superficie externa, expone más sitios activos y facilita una impregnación y reacción uniformes con el agente activador. Además, las fuerzas mecánicas introducen defectos en la estructura de carbono, lo que aumenta su reactividad.
Equipamiento común:
- Molinos de bolas: Molinos de bolas planetarios o vibratorios, comúnmente utilizados a escala de laboratorio e industrial.
- Molinos de chorro o molinos clasificadores de aire: Se utiliza para la molienda ultrafina para obtener partículas de tamaño micrométrico o incluso nanométrico.
Efectos y ventajas:
- Las partículas más finas dan lugar a una impregnación de KOH más uniforme; después de la activación, el área superficial específica puede aumentar entre un 20 y un 50%, con una mayor proporción de mesoporos.
- Los estudios han demostrado que el pretratamiento con molienda de bolas puede optimizar las estructuras jerárquicas de los poros y mejorar la eficiencia del transporte de iones.
Métodos de preparación
Los principales métodos para preparar carbón poroso a partir de precursores de carbón activado incluyen la reactivación química, los métodos asistidos por plantilla y la activación fisicoquímica combinada. Entre ellos, la reactivación química con KOH es la más utilizada.
Reactivación química de KOH (la más común)
Principio:
A altas temperaturas, el KOH reacciona con el carbono para generar gases (como CO y CO₂) y compuestos que contienen potasio, que erosionan la estructura del carbono y crean nuevos poros. Simultáneamente, el vapor de potasio se intercala entre las capas de carbono, expandiendo aún más la estructura porosa.
Mecanismos de reacción simplificados:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Las reacciones de reducción posteriores generan K metálico, agrandando aún más los poros.
Pasos del proceso (combinado con molienda ultrafina):
- Molienda ultrafina de carbón activado para obtener polvo fino.
- Mezclar el carbón activado ultrafino con una solución de KOH (relación de masa típica de KOH/carbón: 1:1 a 4:1) y remover o moler completamente.
- Secado, seguido de activación a alta temperatura bajo atmósfera inerte (N₂ o Ar) a 600–900 °C durante 1–3 horas.
- Enfriamiento, luego lavado con ácido diluido (por ejemplo, HCl) para eliminar los compuestos de potasio residuales, seguido de enjuague con agua hasta neutralidad.
- Secado para obtener carbono poroso jerárquico.
Factores clave que influyen:
- Relación KOH: Las proporciones más altas aumentan el área de superficie, pero un exceso de KOH puede provocar un colapso estructural.
- Temperatura de activación: Alrededor de 800 °C suele ser una temperatura óptima; las temperaturas más altas favorecen la formación de mesoporos.
- Tiempo de activación: Los tiempos excesivamente largos pueden sobregrabar el carbono y reducir el rendimiento.
- Pre-molienda: Mejora significativamente la uniformidad de activación.
Rendimiento típico:
Se puede obtener carbono poroso jerárquico con una superficie específica >2000 m²/g y un volumen de poro >1 cm³/g, ampliamente utilizado como electrodos de supercondensadores.
Otros activadores químicos
ZnCl₂ o H₃PO₄: Adecuado para un mayor desarrollo de mesoporos, aunque con menor rendimiento.
K₂CO₃: Un activador más suave, adecuado para preparar carbón poroso con mayor grafitización.
Reactivación asistida por plantillas
El carbón activado se puede combinar con plantillas duras (por ejemplo, nanopartículas de SiO₂, MgO) o plantillas blandas (tensioactivos), seguido de activación con KOH.
- Proceso: Impregnación de carbón activado con plantilla y KOH → carbonización a alta temperatura → eliminación de plantilla (HF o lavado ácido).
- Ventajas: Estructuras de poros más ordenadas y mejor control sobre las proporciones de meso y macroporos.
Reactivación física
La activación secundaria con CO₂ o vapor a altas temperaturas puede desarrollar aún más microporos, pero la eficiencia generalmente es menor que la de los métodos químicos.
Casos típicos y rendimiento
- El carbón activado a base de carbón, después de una molienda ultrafina y una reactivación con KOH, puede producir carbón poroso jerárquico con áreas superficiales de hasta 3000 m²/g, adecuado para la electrocatálisis de la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
- El carbón activado derivado de biomasa (por ejemplo, carbón de cáscara de coco), después de la reactivación, puede producir carbón poroso jerárquico con capacitancias específicas de 300 a 400 F/g en supercondensadores.
- Los estudios muestran que los materiales reactivados a menudo presentan estructuras de poros jerárquicas similares a panales, que son beneficiosas para el transporte de iones y la difusión de gases.
Perspectivas de aplicación
- Almacenamiento de energía: Supercondensadores, ánodos de baterías de iones de litio/sodio.
- Electrocatálisis: Reacción de evolución de oxígeno (REA) y reacción de reducción de oxígeno (RRO).
- Adsorción y separación: Captura de CO₂, eliminación de metales pesados, adsorción de colorantes.
- Sostenibilidad ambiental: Reactivación de carbón activado residual para reciclaje de recursos.
Conclusión
El uso de carbón activado como precursor para preparar carbón poroso es un método eficaz de procesamiento secundario, especialmente cuando se combina con la molienda ultrafina y la reactivación química con KOH. La molienda ultrafina desempeña un papel fundamental en la mejora de la uniformidad de la activación y el desarrollo de la estructura porosa.
Polvo épico’Equipos de molienda ultrafina, incluidos molinos de bolas y clasificador de aire Los molinos pueden reducir el carbón activado a tamaños micrométricos o submicrométricos, mejorando la difusión del KOH y la eficiencia de la reacción. Esto permite la producción estable de carbón poroso jerárquico con una alta superficie específica y una distribución optimizada del tamaño de poro.
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— Publicado por Emily Chen