Carbone attivo è di per sé un tipico materiale carbonioso poroso. Presenta una struttura porosa altamente sviluppata, un'ampia superficie specifica e eccellenti prestazioni di adsorbimento. È ampiamente utilizzato nell'adsorbimento, nei supporti per catalizzatori e nell'accumulo di energia. Carbonio poroso è un concetto più ampio che include materiali carboniosi con micro-, meso- e macropori. In particolare, il carbonio poroso gerarchico presenta un'architettura dei pori più complessa e prestazioni ottimizzate. In senso stretto, il carbone attivo appartiene già alla categoria del carbone poroso. Tuttavia, sia nella ricerca che nelle applicazioni pratiche, il carbone attivo commerciale o i materiali preliminarmente carbonizzati vengono spesso utilizzati come precursori. per preparare il carbonio poroso con strutture avanzate. Questi materiali vengono ulteriormente trattati tramite attivazione secondaria o modifica per produrre carbonio poroso gerarchico con una maggiore area superficiale specifica e una distribuzione delle dimensioni dei pori più ottimizzata. Questo approccio consente lo sviluppo di strutture micro-, meso- e macroporose. Di conseguenza, l'efficienza del trasferimento di massa e le prestazioni complessive risultano significativamente migliorate in applicazioni come supercondensatori, elettrocatalisi e adsorbimento.
In questo articolo vengono presentati i principali metodi, meccanismi, fasi di lavorazione e prospettive applicative per preparare carbone poroso a base di carbone attivo.
Differenze tra carbone poroso e carbone attivo
- Carbone attivo: Tipicamente preparato mediante metodi fisici o chimico attivazione, dominata dai micropori. La superficie specifica varia solitamente da 500 a 3000 m²/g. Pur essendo altamente poroso, la sua distribuzione granulometrica è relativamente semplice.
- Carbonio poroso: Termine generale per materiali carboniosi con diverse strutture porose, in particolare il carbonio poroso gerarchico, che contiene micropori (<2 nm, che forniscono un'elevata area superficiale), mesopori (2-50 nm, che facilitano il trasferimento di massa) e macropori (>50 nm, che fungono da canali di trasporto). Tali materiali presentano spesso aree superficiali più elevate e reti di pori più ottimizzate.
L'utilizzo del carbone attivo come precursore per preparare il carbone poroso è essenzialmente un processo di attivazione secondaria o riattivazione, che mira a incidere ulteriormente e personalizzare la struttura dei pori.
Pretrattamento del precursore: Macinazione ultrafine
Prima dell'attivazione secondaria del carbone attivo, la macinazione ultrafine è un'importante fase di pretrattamento che può migliorare significativamente l'efficienza di attivazione e le prestazioni del carbone poroso risultante.
Principio:
Il carbone attivo commerciale è solitamente granulare, con particelle di dimensioni comprese tra decine e centinaia di micrometri. Sebbene la sua struttura interna dei pori sia ben sviluppata, la diffusione degli agenti attivanti (come il KOH) è limitata. La macinazione ultrafine riduce dimensione delle particelle su scala micronica o addirittura submicronica (<10 μm), aumentando la superficie esterna, esponendo più siti attivi e facilitando un'impregnazione e una reazione uniformi con l'agente attivante. Inoltre, le forze meccaniche introducono difetti nella struttura del carbonio, aumentandone la reattività.
Attrezzatura comune:
- Mulini a sfere: Mulini a sfere planetari o vibranti, comunemente utilizzati su scala industriale e di laboratorio.
- Mulini a getto O mulini classificatori ad aria: Utilizzato per la macinazione ultrafine per ottenere particelle di dimensioni micrometriche o addirittura nanometriche.
Effetti e vantaggi:
- Le particelle più fini determinano un'impregnazione più uniforme di KOH; dopo l'attivazione, l'area superficiale specifica può aumentare di 20–50%, con una maggiore proporzione di mesopori.
- Studi hanno dimostrato che il pretrattamento mediante macinazione a sfere può ottimizzare le strutture gerarchiche dei pori e migliorare l'efficienza del trasporto ionico.
Metodi di preparazione
I principali metodi per la preparazione del carbone poroso a partire da precursori di carbone attivo includono la riattivazione chimica, i metodi assistiti da template e l'attivazione combinata fisico-chimica. Tra questi, la riattivazione chimica con KOH è la più utilizzata.
Riattivazione chimica KOH (più comune)
Principio:
Ad alte temperature, il KOH reagisce con il carbonio generando gas (come CO e CO₂) e composti contenenti potassio, che incidono la struttura del carbonio e creano nuovi pori. Contemporaneamente, il vapore di potassio si intercala tra gli strati di carbonio, espandendo ulteriormente la struttura dei pori.
Meccanismi di reazione semplificati:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Le successive reazioni di riduzione generano K metallico, allargando ulteriormente i pori.
Fasi del processo (combinate con macinazione ultrafine):
- Macinazione ultrafine del carbone attivo per ottenere una polvere fine.
- Mescolare il carbone attivo ultrafine con una soluzione di KOH (rapporto di massa KOH/carbonio tipico: da 1:1 a 4:1) e agitare o macinare accuratamente.
- Essiccazione, seguita da attivazione ad alta temperatura in atmosfera inerte (N₂ o Ar) a 600–900 °C per 1–3 ore.
- Raffreddamento, quindi lavaggio con acido diluito (ad esempio, HCl) per rimuovere i composti di potassio residui, seguito da risciacquo con acqua fino a neutralità.
- Essiccazione per ottenere carbonio poroso gerarchico.
Fattori chiave influenti:
- Rapporto KOH: Rapporti più elevati aumentano la superficie, ma un eccesso di KOH può causare il collasso strutturale.
- Temperatura di attivazione: Spesso la temperatura ottimale è intorno agli 800 °C; temperature più elevate favoriscono la formazione di mesopori.
- Tempo di attivazione: Tempi eccessivamente lunghi possono danneggiare eccessivamente il carbonio e ridurre la resa.
- Pre-rettifica: Migliora notevolmente l'uniformità di attivazione.
Prestazioni tipiche:
È possibile ottenere carbonio poroso gerarchico con una superficie specifica >2000 m²/g e un volume dei pori >1 cm³/g, ampiamente utilizzato come elettrodi per supercondensatori.
Altri attivatori chimici
ZnCl₂ o H₃PO₄: Adatto per l'ulteriore sviluppo dei mesopori, anche se con una resa inferiore.
K₂CO₃: Un attivatore più delicato, adatto alla preparazione di carbone poroso con maggiore grafitizzazione.
Riattivazione assistita da template
Il carbone attivo può essere combinato con modelli rigidi (ad esempio, nanoparticelle di SiO₂, MgO) o modelli morbidi (tensioattivi), seguiti dall'attivazione con KOH.
- Processo: Impregnazione del carbone attivo con stampo e KOH → carbonizzazione ad alta temperatura → rimozione dello stampo (HF o lavaggio acido).
- Vantaggi: Strutture dei pori più ordinate e migliore controllo sui rapporti tra meso e macropori.
Riattivazione fisica
L'attivazione secondaria mediante CO₂ o vapore ad alte temperature può sviluppare ulteriormente i micropori, ma l'efficienza è generalmente inferiore a quella dei metodi chimici.
Casi tipici e prestazioni
- Il carbone attivo a base di carbone, dopo macinazione ultrafine e riattivazione con KOH, può produrre carbone poroso gerarchico con aree superficiali fino a 3000 m²/g, adatto per l'elettrocatalisi della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR).
- Il carbone attivo derivato dalla biomassa (ad esempio il carbone ricavato dal guscio di cocco), dopo la riattivazione, può produrre carbone poroso gerarchico con capacità specifiche di 300–400 F/g nei supercondensatori.
- Gli studi dimostrano che i materiali riattivati presentano spesso strutture porose gerarchiche a nido d'ape, che sono utili per il trasporto di ioni e la diffusione del gas.
Prospettive di applicazione
- Accumulo di energia: Supercondensatori, anodi per batterie agli ioni di litio/sodio.
- Elettrocatalisi: Reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR).
- Adsorbimento e separazione: Cattura di CO₂, rimozione di metalli pesanti, adsorbimento di coloranti.
- Sostenibilità ambientale: Riattivazione del carbone attivo di scarto per il riciclo delle risorse.
Conclusione
L'utilizzo del carbone attivo come precursore per la preparazione del carbone poroso è un approccio efficace alla lavorazione secondaria, soprattutto se abbinato alla macinazione ultrafine e alla riattivazione chimica con KOH. La macinazione ultrafine svolge un ruolo fondamentale nel migliorare l'uniformità di attivazione e lo sviluppo della struttura dei pori.
Polvere epica’attrezzature di macinazione ultrafine, compresi mulini a sfere e classificatore dell'aria I mulini possono ridurre il carbone attivo a dimensioni microniche o submicroniche, migliorando la diffusione del KOH e l'efficienza della reazione. Ciò consente la produzione stabile di carbone poroso gerarchico con elevata superficie specifica e distribuzione ottimizzata delle dimensioni dei pori.
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— Pubblicato da Emily Chen