Karbon aktif Material ini sendiri merupakan material karbon berpori yang khas. Material ini memiliki struktur pori yang sangat berkembang, luas permukaan spesifik yang besar, dan kinerja adsorpsi yang sangat baik. Material ini banyak digunakan dalam adsorpsi, pendukung katalis, dan penyimpanan energi. Karbon berpori Konsep ini lebih luas dan mencakup material karbon dengan pori mikro, meso, dan makro. Secara khusus, karbon berpori hierarkis menunjukkan arsitektur pori yang lebih kompleks dan kinerja yang optimal. Secara tegas, karbon aktif sudah termasuk dalam kategori karbon berpori. Namun, baik dalam penelitian maupun aplikasi praktis, karbon aktif komersial atau material yang telah dikarbonisasi sebelumnya sering digunakan sebagai prekursor. untuk menyiapkan karbon berpori dengan struktur yang lebih canggih. Material ini selanjutnya diolah melalui aktivasi sekunder atau modifikasi untuk menghasilkan karbon berpori hierarkis dengan luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dan distribusi ukuran pori yang lebih optimal. Pendekatan ini memungkinkan pengembangan struktur mikro-, meso-, dan makropori. Akibatnya, efisiensi transfer massa dan kinerja keseluruhan meningkat secara signifikan dalam aplikasi seperti superkapasitor, elektrokatalisis, dan adsorpsi.
Artikel ini memperkenalkan metode utama, mekanisme, tahapan pemrosesan, dan prospek aplikasi untuk menyiapkan karbon berpori berbasis karbon aktif.
Perbedaan Antara Karbon Berpori dan Karbon Aktif
- Karbon aktif: Biasanya disiapkan secara fisik atau bahan kimia aktivasi, didominasi oleh mikropori. Luas permukaan spesifik biasanya berkisar antara 500 hingga 3000 m²/g. Meskipun sangat berpori, distribusi ukuran porinya relatif sederhana.
- Karbon berpori: Istilah umum untuk material karbon dengan berbagai struktur pori, khususnya karbon berpori hierarkis, yang mengandung mikropori (<2 nm, memberikan luas permukaan tinggi), mesopori (2–50 nm, memfasilitasi transfer massa), dan makropori (>50 nm, berfungsi sebagai saluran transportasi). Material semacam ini seringkali menunjukkan luas permukaan yang lebih tinggi dan jaringan pori yang lebih optimal.
Penggunaan karbon aktif sebagai prekursor untuk menyiapkan karbon berpori pada dasarnya adalah proses aktivasi sekunder atau reaktivasi, yang bertujuan untuk lebih lanjut mengikis dan menyesuaikan struktur pori.
Praperlakuan Pendahuluan: Penggilingan Ultrahalus
Sebelum aktivasi sekunder karbon aktif, penggilingan ultrahalus merupakan langkah pra-perlakuan penting yang dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi aktivasi dan kinerja karbon berpori yang dihasilkan.
Prinsip:
Karbon aktif komersial biasanya berbentuk butiran, dengan ukuran partikel berkisar dari puluhan hingga ratusan mikrometer. Meskipun struktur pori internalnya berkembang dengan baik, difusi zat pengaktif (seperti KOH) terbatas. Penggilingan ultrahalus mengurangi ukuran partikel hingga skala mikron atau bahkan submikron (<10 μm), meningkatkan luas permukaan eksternal, mengekspos lebih banyak situs aktif, dan memfasilitasi impregnasi dan reaksi yang seragam dengan agen pengaktif. Selain itu, gaya mekanis menimbulkan cacat pada kerangka karbon, meningkatkan reaktivitasnya.
Peralatan umum:
- Penggiling bola: Mesin penggiling bola planet atau getar, yang umum digunakan pada skala laboratorium dan industri.
- Pabrik jet atau pabrik pengklasifikasi udara: Digunakan untuk penggilingan ultrahalus untuk mendapatkan partikel berukuran mikro atau bahkan nano.
Dampak dan keuntungan:
- Partikel yang lebih halus menghasilkan impregnasi KOH yang lebih seragam; setelah aktivasi, luas permukaan spesifik dapat meningkat sebesar 20–50%, dengan proporsi mesopori yang lebih tinggi.
- Studi menunjukkan bahwa perlakuan awal dengan penggilingan bola dapat mengoptimalkan struktur pori hierarkis dan meningkatkan efisiensi transportasi ion.
Metode Persiapan
Metode utama untuk menyiapkan karbon berpori dari prekursor karbon aktif meliputi reaktivasi kimia, metode berbantuan templat, dan aktivasi fisik-kimia gabungan. Di antara metode tersebut, reaktivasi kimia KOH adalah yang paling banyak digunakan.
Reaktivasi Kimia KOH (Paling Umum)
Prinsip:
Pada suhu tinggi, KOH bereaksi dengan karbon menghasilkan gas (seperti CO dan CO₂) dan senyawa yang mengandung kalium, yang mengikis kerangka karbon dan menciptakan pori-pori baru. Secara bersamaan, uap kalium menyisip di antara lapisan karbon, yang selanjutnya memperluas struktur pori.
Mekanisme reaksi yang disederhanakan:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Reaksi reduksi selanjutnya menghasilkan K logam, yang semakin memperbesar pori-pori.
Langkah-langkah proses (dikombinasikan dengan penggilingan ultrahalus):
- Penggilingan ultrahalus karbon aktif untuk mendapatkan bubuk halus.
- Campurkan karbon aktif ultrahalus dengan larutan KOH (rasio massa KOH/karbon tipikal: 1:1 hingga 4:1) dan aduk atau giling hingga merata.
- Pengeringan, diikuti dengan aktivasi suhu tinggi di bawah atmosfer inert (N₂ atau Ar) pada suhu 600–900 °C selama 1–3 jam.
- Dinginkan, lalu cuci dengan asam encer (misalnya, HCl) untuk menghilangkan senyawa kalium yang tersisa, kemudian bilas dengan air hingga netral.
- Pengeringan untuk mendapatkan karbon berpori hierarkis.
Faktor-faktor kunci yang memengaruhi:
- Rasio KOH: Rasio yang lebih tinggi meningkatkan luas permukaan, tetapi KOH yang berlebihan dapat menyebabkan keruntuhan struktur.
- Suhu aktivasi: Suhu sekitar 800 °C seringkali optimal; suhu yang lebih tinggi mendukung pembentukan mesopori.
- Waktu aktivasi: Waktu yang terlalu lama dapat menyebabkan pengikisan karbon berlebihan dan mengurangi hasil.
- Penggilingan awal: Meningkatkan keseragaman aktivasi secara signifikan.
Performa tipikal:
Karbon berpori hierarkis dengan luas permukaan spesifik >2000 m²/g dan volume pori >1 cm³/g dapat diperoleh, dan banyak digunakan sebagai elektroda superkapasitor.
Aktivator Kimia Lainnya
ZnCl₂ atau H₃PO₄: Cocok untuk pengembangan lebih lanjut mesopori, meskipun dengan hasil yang lebih rendah.
K₂CO₃: Aktivator yang lebih ringan, cocok untuk menyiapkan karbon berpori dengan grafitisasi yang lebih tinggi.
Pengaktifan Ulang dengan Bantuan Templat
Karbon aktif dapat dikombinasikan dengan templat keras (misalnya, nanopartikel SiO₂, MgO) atau templat lunak (surfaktan), diikuti dengan aktivasi KOH.
- Proses: Impregnasi karbon aktif dengan templat dan KOH → karbonisasi suhu tinggi → penghilangan templat (pencucian HF atau asam).
- Keuntungan: Struktur pori yang lebih teratur dan kontrol yang lebih baik atas rasio meso- dan makropori.
Pengaktifan Kembali Fisik
Aktivasi sekunder menggunakan CO₂ atau uap pada suhu tinggi dapat lebih mengembangkan mikropori, tetapi efisiensinya umumnya lebih rendah daripada metode kimia.
Kasus dan Kinerja Khas
- Karbon aktif berbasis batubara, setelah penggilingan ultrahalus dan reaktivasi KOH, dapat menghasilkan karbon berpori hierarkis dengan luas permukaan hingga 3000 m²/g, yang cocok untuk elektrokatalisis reaksi reduksi oksigen (ORR).
- Karbon aktif yang berasal dari biomassa (misalnya, karbon tempurung kelapa), setelah diaktivasi ulang, dapat menghasilkan karbon berpori hierarkis dengan kapasitansi spesifik 300–400 F/g dalam superkapasitor.
- Studi menunjukkan bahwa material yang diaktifkan kembali seringkali menunjukkan struktur pori hierarkis seperti sarang lebah, yang bermanfaat untuk transportasi ion dan difusi gas.
Prospek Aplikasi
- Penyimpanan energi: Superkapasitor, anoda baterai ion litium/natrium.
- Elektrokatalisis: Reaksi evolusi oksigen (OER) dan reaksi reduksi oksigen (ORR).
- Adsorpsi dan pemisahan: Penangkapan CO₂, penghilangan logam berat, adsorpsi zat warna.
- Keberlanjutan lingkungan: Pengaktifan kembali karbon aktif limbah untuk daur ulang sumber daya.
Kesimpulan
Penggunaan karbon aktif sebagai prekursor untuk menyiapkan karbon berpori merupakan pendekatan pemrosesan sekunder yang efektif, terutama bila dikombinasikan dengan penggilingan ultrahalus dan reaktivasi kimia KOH. Penggilingan ultrahalus memainkan peran kunci dalam meningkatkan keseragaman aktivasi dan pengembangan struktur pori.
Bubuk Epik’peralatan penggilingan ultrahalus, termasuk penggiling bola dan pengklasifikasi udara Penggilingan dapat mengurangi ukuran karbon aktif menjadi ukuran mikron atau submikron, sehingga meningkatkan difusi KOH dan efisiensi reaksi. Hal ini memungkinkan produksi karbon berpori hierarkis yang stabil dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan distribusi ukuran pori yang optimal.
Dengan solusi pemrosesan bubuk yang andal dan terukur, Epic Powder mendukung persiapan industri karbon berpori berkinerja tinggi untuk aplikasi penyimpanan energi, katalisis, dan adsorpsi.
Terima kasih sudah membaca. Semoga artikel saya bermanfaat. Silakan tinggalkan komentar di bawah. Anda juga bisa menghubungi perwakilan pelanggan Zelda online untuk pertanyaan lebih lanjut.
— Diposting oleh Emily Chen