charbon actif Ce matériau est un carbone poreux typique. Il présente une structure poreuse très développée, une grande surface spécifique et d'excellentes performances d'adsorption. Il est largement utilisé dans l'adsorption, comme support de catalyseur et pour le stockage d'énergie. Carbone poreux Le terme « carbone poreux » est plus large et englobe les matériaux carbonés présentant des micro-, méso- et macropores. Plus précisément, le carbone poreux hiérarchisé possède une architecture de pores plus complexe et des performances optimisées. À proprement parler, le charbon actif appartient déjà à la catégorie des carbones poreux. Cependant, tant dans la recherche que dans les applications pratiques, on utilise souvent comme précurseurs du charbon actif commercial ou des matériaux préalablement carbonisés. préparer du carbone poreux Ces matériaux, dotés de structures avancées, sont ensuite traités par activation ou modification secondaire afin de produire du carbone poreux hiérarchisé présentant une surface spécifique plus élevée et une distribution de taille des pores optimisée. Cette approche permet le développement de structures micro-, méso- et macroporeuses. De ce fait, l'efficacité du transfert de masse et les performances globales sont considérablement améliorées dans des applications telles que les supercondensateurs, l'électrocatalyse et l'adsorption.
Cet article présente les principales méthodes, mécanismes, étapes de traitement et perspectives d'application pour la préparation de carbone poreux à base de charbon actif.
Différences entre le charbon poreux et le charbon actif
- Charbon actif : Généralement préparé par voie physique ou chimique L'activation est principalement due aux micropores. La surface spécifique se situe généralement entre 500 et 3 000 m²/g. Bien que très poreuse, la distribution de la taille des pores est relativement simple.
- Carbone poreux : Le terme « carbone poreux hiérarchisé » désigne de manière générale les matériaux carbonés présentant diverses structures poreuses. Ces matériaux contiennent des micropores (< 2 nm, offrant une surface spécifique élevée), des mésopores (2–50 nm, facilitant le transfert de masse) et des macropores (> 50 nm, servant de canaux de transport). Ils présentent souvent des surfaces spécifiques plus importantes et des réseaux de pores plus optimisés.
L'utilisation de charbon actif comme précurseur pour préparer du carbone poreux est essentiellement un processus d'activation ou de réactivation secondaire, visant à graver et à adapter davantage la structure des pores.
Prétraitement du précurseur : Broyage ultrafin
Avant l'activation secondaire du charbon actif, le broyage ultrafin est une étape de prétraitement importante qui peut améliorer considérablement l'efficacité d'activation et les performances du charbon poreux obtenu.
Principe:
Le charbon actif commercial est généralement granulaire, avec des particules de taille comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de micromètres. Bien que sa structure poreuse interne soit bien développée, la diffusion des agents activateurs (comme le KOH) y est limitée. Un broyage ultrafin réduit ce phénomène. la taille des particules À l'échelle du micron, voire du submicron (< 10 μm), la surface externe augmente, exposant davantage de sites actifs et facilitant l'imprégnation et la réaction uniformes avec l'agent activateur. De plus, les forces mécaniques introduisent des défauts dans la structure carbonée, ce qui accroît sa réactivité.
Équipements communs :
- Broyeurs à boulets: Broyeurs à billes planétaires ou vibratoires, couramment utilisés à l'échelle du laboratoire et de l'industrie.
- Broyeurs à jet ou broyeurs classificateurs à air: Utilisé pour le broyage ultrafin afin d'obtenir des particules de taille micrométrique, voire nanométrique.
Effets et avantages :
- Des particules plus fines permettent une imprégnation de KOH plus uniforme ; après activation, la surface spécifique peut augmenter de 20 à 50%, avec une proportion plus élevée de mésopores.
- Des études ont montré que le prétraitement par broyage à billes permet d'optimiser les structures poreuses hiérarchiques et d'améliorer l'efficacité du transport des ions.
Méthodes de préparation
Les principales méthodes de préparation de carbone poreux à partir de précurseurs de carbone activé comprennent la réactivation chimique, les méthodes assistées par matrice et l'activation physico-chimique combinée. Parmi celles-ci, la réactivation chimique au KOH est la plus répandue.
Réactivation chimique au KOH (la plus courante)
Principe:
À haute température, le KOH réagit avec le carbone pour générer des gaz (tels que CO et CO₂) et des composés contenant du potassium, qui corrodent la structure carbonée et créent de nouveaux pores. Simultanément, la vapeur de potassium s'intercale entre les couches de carbone, augmentant ainsi la porosité.
Mécanismes réactionnels simplifiés :
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Les réactions de réduction subséquentes génèrent du potassium métallique, ce qui agrandit encore les pores.
Étapes du procédé (combinées à un broyage ultrafin) :
- Broyage ultrafin de charbon actif pour obtenir une poudre fine.
- Mélanger le charbon actif ultrafin avec une solution de KOH (rapport massique typique KOH/carbone : 1:1 à 4:1) et remuer ou broyer soigneusement.
- Séchage, suivi d'une activation à haute température sous atmosphère inerte (N₂ ou Ar) à 600–900 °C pendant 1 à 3 heures.
- Refroidissement, puis lavage avec un acide dilué (par exemple, HCl) pour éliminer les composés de potassium résiduels, suivi d'un rinçage à l'eau jusqu'à neutralité.
- Séchage pour obtenir du carbone poreux hiérarchisé.
Principaux facteurs d'influence :
- Rapport KOH : Des ratios plus élevés augmentent la surface, mais une quantité excessive de KOH peut provoquer un effondrement structurel.
- Température d'activation : Une température d'environ 800 °C est souvent optimale ; des températures plus élevées favorisent la formation de mésopores.
- Temps d'activation : Des durées excessivement longues peuvent entraîner une gravure excessive du carbone et réduire le rendement.
- Pré-broyage : Améliore considérablement l'uniformité de l'activation.
Performances typiques :
On peut obtenir un carbone poreux hiérarchisé avec une surface spécifique > 2000 m²/g et un volume poreux > 1 cm³/g, largement utilisé comme électrodes de supercondensateurs.
Autres activateurs chimiques
ZnCl₂ ou H₃PO₄ : Convient au développement ultérieur des mésopores, bien qu'avec un rendement plus faible.
K₂CO₃ : Un activateur plus doux, adapté à la préparation de carbone poreux avec un degré de graphitisation plus élevé.
Réactivation assistée par modèle
Le charbon actif peut être combiné avec des matrices dures (par exemple, des nanoparticules de SiO₂, MgO) ou des matrices molles (tensioactifs), suivies d'une activation au KOH.
- Processus: Imprégnation du charbon actif avec un gabarit et du KOH → carbonisation à haute température → élimination du gabarit (HF ou lavage acide).
- Avantages : Des structures poreuses plus ordonnées et un meilleur contrôle des rapports méso- et macropores.
Réactivation physique
L'activation secondaire utilisant du CO₂ ou de la vapeur à haute température peut développer davantage les micropores, mais l'efficacité est généralement inférieure à celle des méthodes chimiques.
Cas typiques et performances
- Le charbon actif à base de charbon, après broyage ultrafin et réactivation au KOH, peut donner un carbone poreux hiérarchisé avec des surfaces allant jusqu'à 3000 m²/g, adapté à l'électrocatalyse de la réaction de réduction de l'oxygène (ORR).
- Le charbon actif dérivé de la biomasse (par exemple, le charbon de coque de noix de coco), après réactivation, peut produire un carbone poreux hiérarchisé avec des capacités spécifiques de 300 à 400 F/g dans les supercondensateurs.
- Des études montrent que les matériaux réactivés présentent souvent des structures poreuses hiérarchiques en nid d'abeille, ce qui est bénéfique pour le transport des ions et la diffusion des gaz.
Perspectives d'application
- Stockage d'énergie : Supercondensateurs, anodes de batteries lithium/sodium-ion.
- Électrocatalyse : Réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et réaction de réduction de l'oxygène (ORR).
- Adsorption et séparation : Capture du CO₂, élimination des métaux lourds, adsorption de colorants.
- Durabilité environnementale : Réactivation du charbon actif usagé pour le recyclage des ressources.
Conclusion
L'utilisation de charbon actif comme précurseur pour la préparation de carbone poreux constitue une méthode de traitement secondaire efficace, notamment lorsqu'elle est combinée à un broyage ultrafin et à une réactivation chimique au KOH. Le broyage ultrafin joue un rôle clé dans l'amélioration de l'uniformité de l'activation et du développement de la structure poreuse.
Poudre épique’l'équipement de broyage ultrafin de , y compris les broyeurs à boulets et classificateur d'air Les broyeurs permettent de réduire le charbon actif à des tailles micrométriques ou submicrométriques, améliorant ainsi la diffusion du KOH et l'efficacité de la réaction. Ceci permet la production stable de carbone poreux hiérarchisé présentant une surface spécifique élevée et une distribution de taille de pores optimisée.
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— Publié par Emily Chen