活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　三氯生(TCS)因其在地表水中的頻繁被檢測到，并且有助于直接產(chǎn)生危害更大的二惡英，所以引起了人們的關(guān)注。因此，需要一種具有成本效益的處理技術(shù)。富含氮的活性炭材料具有高比表面積，高孔隙率，可調(diào)孔徑，均勻的孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的表面化學(xué)性質(zhì)，良好的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。由于活性炭的優(yōu)異性能可應(yīng)用到催化、傳感器、吸附劑、氣體吸附和氣體存儲等，所以本期實(shí)驗(yàn)使用活性炭來做測試。

　　富氮活性炭的制造

　　將原材料(4.0g)，KOH(4.0g)和尿素(8.0g)(質(zhì)量比為1：1：2)的混合物與30mL去離子水在100mL燒瓶中混合并在環(huán)境溫度下攪拌(15°C)2小時(shí)。然后將混合物轉(zhuǎn)移到瓷舟中并在氮?dú)夥障乱?℃min-1的加熱速率加熱至800℃2小時(shí)。冷卻至環(huán)境溫度后，將所得樣品浸入HCl溶液(2.0mol L-1)中并攪拌1小時(shí)，然后用超純水反復(fù)洗滌直至pH值達(dá)到7。最后將樣品將其在真空下在60℃下干燥12小時(shí)制成樣品。

　　三氯生的吸附環(huán)境

　　為了測試活性炭在高濃度三氯生溶液中的吸附能力，三氯生的吸附研究是在CH3 CN中而不是在水中進(jìn)行的。首先，制備2000mg L-1的乙腈溶液。然后，將5mg活性炭加入5.0mL 2000mg L-1 TCS到CH3 CN溶液中。將混合物在振蕩器中孵育60分鐘以允許建立吸收平衡。使每個(gè)樣品通過過濾器以從上清液中分離顆粒。通過測量280nm處的UV吸光度來定量濾液中TCS的殘余濃度。

　　摻氮活性炭材料特性

　　制成的活性炭材料由碳(64.43-78.38%)，氮(2.43-10.69%)，氫(1.12-1.86%)組成，其中暗示尿素有利于產(chǎn)生富氮活性炭材料。樣品表面氮含量與元素分析一致，進(jìn)一步表明氮成功摻入碳基體中。此外，還從所獲得的活性炭中檢測到氧元素。提通過SEM和TEM觀察樣品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。圖1a中的SEM圖像顯示產(chǎn)生了大量的多孔結(jié)構(gòu)。從SEM圖像(圖1b和c)還可以看出含有連續(xù)的，相互連接的疏松多孔結(jié)構(gòu)。交聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)可以提供電極離子擴(kuò)散和傳輸?shù)耐ǖ馈Ｈ鐖D1d所示，表現(xiàn)出光滑的表面和致密的結(jié)構(gòu)，孔隙和通道非常有限。圖1e顯示了存在具有不規(guī)則區(qū)域的無定形結(jié)構(gòu)，表明材料中存在一些無序缺陷和官能團(tuán)。為了研究C，O和N的元素分布，進(jìn)行了能量色散X射線光譜(EDS)測繪，結(jié)果如圖1所示(g-i)。所有元素在樣品表面上均勻分布，表明N成功地?fù)饺牖钚蕴康幕�質(zhì)中。

　　活性炭對于三氯生的識別和去除

　　評估并測試所制備的活性炭作為三氯生的吸附材料。這種設(shè)計(jì)基于三個(gè)原因。首先，制備的活性炭具有大的表面積和獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，這是非常理想的吸收材料。其次，活性炭中摻雜的吡啶-N(NS)，吡咯-N(NF)，石墨-N(NQ)和氧化-N(NX)等不同類型的氮原子可能通過氫鍵和酸與三氯生相互作用。基礎(chǔ)互動。此外，活性炭還具有大的共軛芳族結(jié)構(gòu)，其允許電子離域。這將促進(jìn)與三氯生苯環(huán)的芳香-芳香相互作用。令人印象深刻的是，活性炭對于三氯生的吸附能力高達(dá)205mg g-1，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)高于其他吸附劑。

　　活性炭表現(xiàn)出良好的吸附能力。這可歸因于大的比表面積和氧和氮摻雜的協(xié)同效應(yīng)。活性炭提供了各種胺基，它們可以與O原子形成氫鍵并通過酸堿相互作用與羥基相互作用。也提供了芳環(huán)，活性炭可與三氯生的苯環(huán)形成芳香-芳香相互作用，如圖2所示。總之，結(jié)果表明制備的富氮活性炭在識別和去除三氯生方面具有很大的應(yīng)用潛力。

　　通過同時(shí)碳化和活化以及特殊的方法，從原材料中設(shè)計(jì)和制備具有高氮含量和大表面積的富氮活性炭。所制備的活性炭擁有高比表面積和優(yōu)異的電化學(xué)性能，以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在測試條件下，活性炭對三氯生的吸附容量高達(dá)205mg g-1。而且生產(chǎn)方法對于制備摻氮活性炭材料的大規(guī)模制造也是有利的。這種來自低成本，豐富的可持續(xù)生物資源的功能性活性炭材料，可對包括儲能裝置和功能性吸附材料在內(nèi)的應(yīng)用產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

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