活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　內容簡介：本期我們使用行星式球磨機在室溫下一鍋法機械化學合成氮摻雜活性炭。在沒有任何溶劑的情況下，碳化鈣和氰尿酰氯之間的快速反應(5分鐘)進行，并且顯示出簡單的自下而上的策略，其完全避免了典型的加熱炭化步驟并直接產生含有16wt%氮的氮摻雜活性炭，這種方法制造的活性炭比表面積超過1000。

　　通過分子設計調整活性炭納米材料的微觀結構和電性能對于傳感器，電池，超級電容器，電催化或光電子等領域的許多先進應用至關重要。有過很多放來增加活性炭的潤濕性和增強催化活性。C和N原子的可比較大小使得它們的取代可行，而N的更強電負性改變了活性炭結構的電子性質。越來越多的實驗報告通過直接合成(例如化學氣相沉積，溶劑熱，弧放電，偏析，縮合反應，熱分解，多孔聚合物)對活性炭材料進行N-摻雜前體方法或后合成方法。然而，這些合成中的大多數遭受高能量損失，多步驟方案和廢物積累，這大大增加了生產成本。在工業數量上對活性炭摻雜氮進行簡便的合成方法，同時保護環境，是保證新興技術未來商業應用的基礎。

　　在這種情況下，機械化學合成作為大量產品的常規合成的可持續和成本有效的替代品引起了很多關注，從有機和無機化學中的離散分子到聚合物和活性炭材料。這些合成依賴于機械能，機械能由球磨機中球磨機的碰撞提供，并傳遞給化學離析物。這些反應快速，可擴展，可在無溶劑環境中進行，將廢物積累降至最低。

　　活性炭可以通過機械化學合成，其中有序中孔活性炭和氮摻雜活性炭。然而，在所有這些合成的關鍵步驟是隨后的熱的溫度處理，以促進碳化和導出活性炭導電結構。熱處理不僅使得另外的步驟成為合成中最有活力的步驟之一，可能限制了其適用性。為了解決這個缺點，我們研究了自持高溫合成，通過局部加熱混合物(用熱線，電火花，激光，熱)瞬間形成高放熱固態反應的活性炭材料。當反應通過球磨而不是預先加熱的固態混合物誘導的，該過程被稱為機械誘導自持反應，并且典型地在室溫下進行。

　　在這里，我們報告了在室溫下通過機械誘導自持反應合成氮摻雜的活性炭。因此，我們進一步調整和發展了我們小組最近的合成概念，即CaC 2與鹵代烴的機械化學反應。特別是，我們使用CaC 2與氰尿酰氯(C 3 Cl 3 N 3)之間的反應(圖1)。我們表明，改變反應物的質量比和研磨時間使我們能夠調整活性炭產品的質地特性和氮含量。

　　圖1：室溫下合成活性炭的機械化學反應的概念。

　　活性炭機械化學合成

　　在活性炭摻雜氮的合成中，將碳化鈣和氰尿酰氯的粉末放入具有22個氧化鋯球磨的研磨碗中。在以500rpm研磨一定時間和連續洗滌步驟后，獲得最終的活性炭摻雜氮產物。為了觀察正在進行的反應，我們使用了帶有集成溫度和壓力傳感器的容器。記錄所有條件下溫度和壓力的變化(圖2)并且是機械誘導的自蔓延或自持反應的特征。在實驗開始時，壓力保持在大氣壓值，并且溫度僅由于球摩擦而逐漸增加。在此期間(機械誘導期)，結構缺陷的數量和顆粒表面增加。結果，系統的反應性顯著上升。在誘導時間之后，檢測到壓力和溫度的突然升高，這與活性炭的瞬時形成有關。在宏觀上，獲得黑色活性炭粉末，在點燃后立即打開設備取出。

　　圖2： 不同質量的氮摻雜活性炭機械化學合成的溫度(虛線)和壓力(實線)曲線。

　　活性炭摻雜氮的結構性質

　　通過氮物理吸附技術研究在球磨機中獲得的活性炭摻雜氮的結構性質。根據質量比，表面積在1080m2 g-1左右。考慮到既不應用熱碳化也不應用活化過程，這些表面積相對較高。由此，我們得出結論，主要是CaC 2并且乙炔單元的石墨化是造成孔隙率的原因，而氰尿酰氯除了是C和N源外，還必須開始反應。此外，我們觀察到進一步研磨不會影響材料的質地特性，但會顯著增加氮含量。因此，所有這些結果都強烈地指向氮摻雜的碳而不是聚合物骨架。

　　我們測量在球磨機中獲得的活性炭的電導率。結果顯示電導率隨著研磨時間而降低。有兩個因素可以解釋這一趨勢：氮含量和表面積。增加研磨時間在不同程度上增強了它們。16%(重量)的高氮含量加上表面積為1080 m2 g-1，發現氮含量對電導率的影響由電子摻雜和結構無序之間的競爭決定。活性炭孔隙中主要存在吡啶和吡咯類物質，這導致更多缺陷的結構。盡管如此，活性炭摻雜氮材料的電導率也是非常好的。

　　我們證明了活性炭摻雜氮材料可以通過在球磨機內室溫下的碳化鈣和氰尿酰氯之間的簡單反應來合成。我們對機械化學機制的進一步了解。一方面，我們發現氰尿酰氯對于在原位開始反應至關重要摻入氮，主要是吡啶。另一方面，反應進化產生乙炔單元相互反應，因此產生更多的活性炭。此外，研究了氮含量對電導率的影響。結果表明，當降低氮含量和表面積時，電導率增加。考慮到避免任何熱步驟，報告的電導率非常好，作為機械力量的唯一外部能源。

本文鏈接：http://www.yuzhanleddeng.com/hangye/hy703.html

查看更多分類請點擊：公司資訊    行業新聞    媒體報導    百科知識