活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　雖然活性炭制成的纖維作為吸附材料被廣泛使用，但由于活性炭纖維的制作成本比較高，促使了越來越多地研究制造活性炭纖維的低成本替代品以及再生過程。本期的研究是將廢棄植物原材料轉化為低成本的活性炭，包括液化，熔融紡絲，固化和活化等更多步驟制成活性炭纖維。然后再由銀納米顆粒(AgNPs)和二氧化鈦薄膜改性。制成具有自再生的活性炭。

　　通過光催化降解再生活性炭具有很大的優勢，因為與其他再生工藝如熱和化學處理，微生物再生，電化學方法和超臨界萃取相比，它具有成本低，二次污染少的特點。此外，光催化再生可以通過同時進行光催化降解和吸附來實現活性炭的自再生。二氧化鈦(TiO 2)是一種高效的光催化劑，通常固定在活性炭上進行再生。然而，TiO 2的光催化降解部分受到限制，因為它具有兩個固有特性：(1)具有大的帶隙，TiO 2僅吸收UV光子，其僅占太陽光譜中能量的約5% ，(2)由于電荷載體的快速復合，TiO 2具有低的光催化活性。為了延長光響應區域，貴金屬被摻入TiO 2中，包括金，銀和鉑。與金和鉑相比銀具有抗菌活性和低成本，因此具有更廣泛的應用領域。

　　二氧化鈦改性活性炭含銀纖維的合成

　　首先將廢棄植物材料在氮氣保護下以5℃/min的加熱速率將所得前體加熱至800℃，并通過引入蒸汽流(1.0mL/min)活化1小時，獲得活性炭。然后將0.5g 活性炭浸入60mL AgNO 3溶液中在25℃下持續24小時，然后在80℃干燥2小時，制成含銀的活性炭。接著將二十毫升鈦酸四丁酯和4毫升二乙醇胺在攪拌下溶解于24毫升乙醇中然后，在25℃下磁力攪拌下，將含有乙醇，乙酸和去離子水的溶液緩慢加入并攪拌0.5小時。在磁力攪拌下將混合物水解2小時后，得到透明的二氧化鈦溶膠。最后將透明二氧化鈦溶膠和含銀的活性炭在25℃下振蕩混合2小時。此后在100℃下干燥5小時，然后在氮氣保護下在500℃下煅燒1小時。通過不同AgNO 3溶液濃度制備的樣品表示為二氧化鈦改性活性炭含銀纖維。

　　活性炭的表面形態

　　圖1中的FESEM圖像顯示了氧化鈦改性活性炭含銀纖維的表面形態。在活性炭含銀纖維的表面上觀察到許多納米顆粒，活性炭表面的這些銀納米顆粒被二氧化鈦薄膜包覆，隨著濃度的增加，它們的直徑從約0.2μm急劇增加到1μm。當濃度達到0.4mol/L時，銀納米顆粒不能被二氧化鈦薄膜完全覆蓋。而且，活性炭纖維上的二氧化鈦膜的厚度不均勻。

　　圖1：不同銀含量的活性炭纖維的場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像。

　　活性炭的自我再生性能

　　圖2a示出了在可見光照射下活性炭，二氧化鈦改性活性炭和二氧化鈦改性活性炭含銀纖維的亞甲基藍的去除效果。在接觸的初始階段(0-5小時)，由于其豐富的孔隙，活性炭除去約20%的亞甲基藍。隨著時間的延長，活性炭的孔隙被亞甲基藍阻斷，它們的吸附能力幾乎達到飽和。相比之下，二氧化鈦改性活性炭含銀纖維在整個實驗過程中保持了對亞甲基藍的去除效果，表明這種復合活性炭材料在可見光照射下具有自再生性能。隨著銀含量的增加，活性炭的自再生性能先增加后降低。活性炭的自再生性能由兩個因素的協同作用決定：吸附和光降解。活性炭的孔結構可以提高TiO 2周圍的亞甲基藍濃度，促進亞甲基藍光降解。同時，亞甲基藍光降解將釋放堵塞的孔隙，然后實現活性炭自我再生。活性炭的可能的自我再生機制如圖3所示。眾所周知，純TiO 2只能在紫外線照射下光激發。銀離子的負載擴大了光響應區域，提高了TiO 2的光催化活性。銀離子表現出表面等離子共振效應，其在可見光區域產生強烈且廣泛的吸收。此外，銀離子加載后產生更多的光生電子，光生電子和空穴的復合受到抑制，這兩者都提高了TiO 2的光催化活性。所以銀離子含量影響TiO 2的光催化活性。當銀離子含量不足時，沒有足夠的反應位點來提高TiO 2的光催化活性。

　　圖2：(a)這幾種活性炭的亞甲基藍去除效果，(b)經歷循環試驗的活性炭含銀纖維的亞甲基藍去除效果。

　　圖3：活性炭的自再生機制的示意圖。

　　為了確定樣品的自再生耐久性，重復使用二氧化鈦改性活性炭含銀纖維用于亞甲基藍的去除。圖2b顯示第四次試驗后亞甲基藍去除率僅略微下降(<10%)。這意味著銀離子和二氧化鈦都牢固地附著在活性炭纖維上。

　　通過在活性炭表面上加載銀離子和二氧化鈦，成功地制備了具有自再生性能的活性炭。將銀離子均勻地固定在活性炭纖維上并用二氧化鈦包覆。這種結構有效地避免了銀離子的聚集和剝落。隨著含銀量的增加，銀離子的尺寸和含量增加，而活性炭的孔體積減小。經過實驗發現用0.1mol/L AgNO 3溶液制備的活性炭表現出較好的自再生性能和耐久性。活性炭保留的豐富孔隙增加了二氧化鈦周圍的亞甲基藍濃度和促進其光降解。同時，活性炭合適的銀含量增強了光降解性能。

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