Carvão ativado O próprio carbono poroso é um material típico. Apresenta uma estrutura de poros altamente desenvolvida, uma grande área superficial específica e excelente desempenho de adsorção. É amplamente utilizado em adsorção, suporte de catalisadores e armazenamento de energia. Carbono poroso É um conceito mais amplo que inclui materiais de carbono com micro-, meso- e macroporos. Em particular, o carbono poroso hierárquico exibe uma arquitetura de poros mais complexa e desempenho otimizado. Estritamente falando, o carvão ativado já pertence à categoria de carbono poroso. No entanto, tanto em pesquisa quanto em aplicações práticas, carvão ativado comercial ou materiais previamente carbonizados são frequentemente usados como precursores. para preparar carbono poroso com estruturas avançadas. Esses materiais são posteriormente tratados por meio de ativação ou modificação secundária para produzir carbono poroso hierárquico com uma área superficial específica maior e uma distribuição de tamanho de poros mais otimizada. Essa abordagem permite o desenvolvimento de estruturas micro-, meso- e macroporosas. Como resultado, a eficiência de transferência de massa e o desempenho geral são significativamente aprimorados em aplicações como supercapacitores, eletrocatálise e adsorção.
Este artigo apresenta os principais métodos, mecanismos, etapas de processamento e perspectivas de aplicação para a preparação de carbono poroso a partir de carvão ativado.
Diferenças entre carbono poroso e carbono ativado
- Carvão ativado: Normalmente preparado por métodos físicos ou químico A ativação é dominada por microporos. A área superficial específica geralmente varia de 500 a 3000 m²/g. Embora altamente poroso, sua distribuição de tamanho de poros é relativamente simples.
- Carbono poroso: Um termo geral para materiais de carbono com diversas estruturas de poros, particularmente carbono poroso hierárquico, que contém microporos (<2 nm, proporcionando alta área superficial), mesoporos (2–50 nm, facilitando a transferência de massa) e macroporos (>50 nm, servindo como canais de transporte). Esses materiais geralmente apresentam áreas superficiais maiores e redes de poros mais otimizadas.
Utilizar carvão ativado como precursor para preparar carbono poroso é essencialmente um processo de ativação secundária ou reativação, com o objetivo de corroer e ajustar ainda mais a estrutura dos poros.
Pré-tratamento do precursor: Moagem Ultrafina
Antes da ativação secundária do carvão ativado, a moagem ultrafina é uma etapa de pré-tratamento importante que pode melhorar significativamente a eficiência da ativação e o desempenho do carvão poroso resultante.
Princípio:
O carvão ativado comercial geralmente é granular, com tamanhos de partículas que variam de dezenas a centenas de micrômetros. Embora sua estrutura de poros interna seja bem desenvolvida, a difusão de agentes ativadores (como o KOH) é limitada. A moagem ultrafina reduz tamanho da partícula até a escala micrométrica ou mesmo submicrométrica (<10 μm), aumentando a área da superfície externa, expondo mais sítios ativos e facilitando a impregnação e reação uniformes com o agente ativador. Além disso, as forças mecânicas introduzem defeitos na estrutura de carbono, aumentando sua reatividade.
Equipamentos comuns:
- Moinhos de bolas: Moinhos de bolas planetários ou vibratórios, comumente usados em escala laboratorial e industrial.
- Moinhos a jato ou moinhos classificadores de ar: Utilizado para moagem ultrafina, permitindo a obtenção de partículas de tamanho micrométrico ou até mesmo nanométrico.
Efeitos e vantagens:
- Partículas mais finas levam a uma impregnação de KOH mais uniforme; após a ativação, a área superficial específica pode aumentar em 20–50%, com uma maior proporção de mesoporos.
- Estudos demonstraram que o pré-tratamento por moagem de bolas pode otimizar estruturas de poros hierárquicas e melhorar a eficiência do transporte de íons.
Métodos de preparação
Os principais métodos para preparar carbono poroso a partir de precursores de carbono ativado incluem reativação química, métodos assistidos por molde e ativação físico-química combinada. Dentre eles, a reativação química com KOH é a mais utilizada.
Reativação química com KOH (mais comum)
Princípio:
Em altas temperaturas, o KOH reage com o carbono para gerar gases (como CO e CO₂) e compostos contendo potássio, que corroem a estrutura de carbono e criam novos poros. Simultaneamente, o vapor de potássio se intercala entre as camadas de carbono, expandindo ainda mais a estrutura dos poros.
Mecanismos de reação simplificados:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H₂ + 2K₂CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- Reações de redução subsequentes geram K metálico, ampliando ainda mais os poros.
Etapas do processo (combinadas com moagem ultrafina):
- Moagem ultrafina de carvão ativado para obtenção de pó fino.
- Misturar o carvão ativado ultrafino com uma solução de KOH (relação mássica típica de KOH/carvão: 1:1 a 4:1) e agitar ou moer completamente.
- Secagem, seguida de ativação em alta temperatura sob atmosfera inerte (N₂ ou Ar) a 600–900 °C durante 1–3 horas.
- Resfriamento, seguido de lavagem com ácido diluído (ex.: HCl) para remover compostos residuais de potássio, e posterior enxágue com água até atingir pH neutro.
- Secagem para obtenção de carbono poroso hierárquico.
Principais fatores de influência:
- Relação KOH: Proporções mais elevadas aumentam a área de superfície, mas o excesso de KOH pode causar colapso estrutural.
- Temperatura de ativação: A temperatura ideal costuma ser em torno de 800 °C; temperaturas mais altas favorecem a formação de mesoporos.
- Tempo de ativação: Tempos excessivamente longos podem corroer o carbono em excesso e reduzir o rendimento.
- Pré-moagem: Melhora significativamente a uniformidade da ativação.
Desempenho típico:
É possível obter carbono poroso hierárquico com uma área superficial específica superior a 2000 m²/g e volume de poros superior a 1 cm³/g, sendo amplamente utilizado como eletrodo de supercapacitor.
Outros ativadores químicos
ZnCl₂ ou H₃PO₄: Adequado para o desenvolvimento posterior de mesoporos, embora com menor rendimento.
K₂CO₃: Um ativador mais suave, adequado para preparar carbono poroso com maior grau de grafitização.
Reativação assistida por modelo
O carvão ativado pode ser combinado com moldes rígidos (por exemplo, nanopartículas de SiO₂, MgO) ou moldes flexíveis (surfactantes), seguido de ativação com KOH.
- Processo: Impregnação de carvão ativado com molde e KOH → carbonização em alta temperatura → remoção do molde (lavagem com HF ou ácido).
- Vantagens: Estruturas de poros mais ordenadas e melhor controle sobre as proporções de meso e macroporos.
Reativação Física
A ativação secundária usando CO₂ ou vapor em altas temperaturas pode desenvolver ainda mais os microporos, mas a eficiência é geralmente menor do que a dos métodos químicos.
Casos típicos e desempenho
- O carvão ativado à base de carvão mineral, após moagem ultrafina e reativação com KOH, pode produzir carbono poroso hierárquico com áreas de superfície de até 3000 m²/g, adequado para eletrocatálise da reação de redução de oxigênio (ORR).
- O carvão ativado derivado de biomassa (por exemplo, carvão de casca de coco), após reativação, pode produzir carbono poroso hierárquico com capacitâncias específicas de 300–400 F/g em supercapacitores.
- Estudos mostram que materiais reativados frequentemente exibem estruturas de poros hierárquicas semelhantes a favos de mel, o que é benéfico para o transporte de íons e a difusão de gases.
Perspectivas de aplicação
- Armazenamento de energia: Supercapacitores, ânodos de baterias de íon-lítio/sódio.
- Eletrocatálise: Reação de evolução de oxigênio (OER) e reação de redução de oxigênio (ORR).
- Adsorção e separação: Captura de CO₂, remoção de metais pesados, adsorção de corantes.
- Sustentabilidade ambiental: Reativação de carvão ativado residual para reciclagem de recursos.
Conclusão
A utilização de carvão ativado como precursor para a preparação de carbono poroso é uma abordagem eficaz de processamento secundário, especialmente quando combinada com moagem ultrafina e reativação química com KOH. A moagem ultrafina desempenha um papel fundamental na melhoria da uniformidade da ativação e no desenvolvimento da estrutura dos poros.
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— Publicado por Emily Chen