活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭用鈷鐵浸漬制備超疏水材料

　　超疏水性碳質材料在分離工藝，特殊涂層技術和膜蒸餾中的廣泛應用，對于接觸角>150°的超疏水炭材料在解決許多與表面和觸點的化學和物理性質有關的技術問題方面起著重要作用。由活性炭制成的碳納米材料可能由于其獨特的理化特性而表現出穩定的超疏水特性，可以根據客戶要求通過優化工藝變量來進一步控制它們。碳質材料的疏水性主要取決于合成樣品的粗糙度和表面化學性質。碳納米材料在其他材料上的生長會影響合成納米材料表面的化學性質和粗糙度。因此，應強調合成包含不同類型雜化物的碳超結構，以通過優化其粗糙度和理化性質來確保超疏水性。

　　超疏水材料怎么制作

　　粉末活性炭擁有高的熱穩定性，高表面積，可以化學修飾的良好優點，被用于使用乙炔和鐵催化劑在化學氣相沉積過程。另一方面，對于碳材料結構的修飾，以實現人造的超疏水表面。由于碳納米材料的聚集性質，超疏水碳納米材料合成工藝的優化可能會受到阻礙，并且通常包含雜質。混合活性炭的碳納米材料保持了這兩種材料之間的化學相容性，并結合了兩者的良好特性。由于基材表面和不同金屬簇之間的相互作用，同時組合多于一種催化劑會影響炭材料的特性。我們通過將沉積在活性炭上作為基材的雙催化劑(鐵/鈷)的組合認為可以生產出高收率和有效性能的超疏水材料。

　　活性炭浸漬鈷鐵

　　將金屬催化劑(鐵和鈷)浸漬在活性炭上。將催化劑溶于C3H6O后，將活性炭與該催化劑-溶劑混合物在玻璃瓶中混合。將含有溶解在C3H6O和活性炭中的催化劑的玻璃瓶內進行超聲處理，以蒸發溶劑。使用常規干燥箱將混合物進一步在100℃下干燥過夜。干燥后，將混合物壓成粉末。使用干燥器保存由此獲得的粉末混合物以防止水分吸附，并送去進一步表征和應用。將所需比例的催化劑與活性炭混合，然后轉移到陶瓷舟皿中。然后將該舟皿插入化學氣相沉積反應管內。惰性氣氛是由氮氣在化學氣相沉積反應器內流動形成的。首先在這種惰性覆蓋條件下將樣品加熱2小時，以防止燃燒和形成灰燼。然后通入2小時氫氣，以確保煅燒樣品的還原過程。然后將樣品冷卻至室溫獲得材料。

　　制備的超疏水材料樣品的疏水性以接觸角表示，并在圖1中給出。活性炭是一種親水性材料，測試中活性炭的接觸角值為65°，但是使用5%鐵作為催化劑生長的超疏水材料的表觀接觸角值為176°。通過使用鈷和鐵作為雙金屬催化劑，接觸角值遵循類似的炭產率趨勢開始增加，對于合適炭產率，表觀接觸角為173°(圖1b)。這表明更多的炭納米材料的形成是高疏水性的主要原因。影響的炭納米材料的表面潤濕性的主要兩個因素是表面粗糙度和表面化學。炭納米材料的生長賦予了更大的表面積，并減少了水滴可利用的間隙。同時，較高的炭材料增長導致致密的未官能化的穩定碳原子，該碳原子具有最小的親和力來吸引水分子。

　　圖1：活性炭納米結構材料的接觸角。

　　表面形態分析

　　用FESEM技術分析了合成樣品的形態特征。圖2a-f顯示了放大的50,000倍的六個選定活性炭樣品圖像。圖2c顯示了活性炭5的FESM圖像，通過使用5%的鐵作為單催化劑和40分鐘的反應時間，發現炭產率和接觸角較高。在此樣本中發現了兩種類型的碳納米材料，分別是碳納米纖維和多壁碳納米管。圖2f顯示了活性炭3的FESEM圖像，該圖像是通過使用4%的鈷作為單催化劑和40分鐘的反應時間制備的。發現僅使用大量的鈷作為催化劑產生非常差的炭產率，這表明材料制備得不怎么好。圖2e顯示了活性炭4的FESEM圖像，該圖像是通過使用5%的鐵和4%的鈷作為雙金屬催化劑制備的，反應時間為40分鐘。該圖像表明，使用大量的鈷和鐵時，主要生成聚集的炭納米材料和碳納米纖維，因為這樣的實驗條件不是優選的。

　　圖2：炭納米材料的場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像。

　　活性炭用鈷鐵浸漬制備超疏水材料，使用化學氣相沉積工藝以一定比例使用二元金屬混合物從大量活性炭中密集生長碳納米材料。鈷和鐵催化劑的比例以及反應時間在獲得高炭產率和接觸角值方面起著至關重要的作用。整個過程在經濟上可行，并且成功地從粉末狀活性炭合成了具有不同形狀的超疏水納米結構碳。本次使用的催化方法確保了高收率，如果還有什么不太了解的請理解咨詢我們。

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