為了探索活性炭化學(xué)表面改性引起的效應(yīng)，研究人員已經(jīng)在各種實(shí)際應(yīng)用中開(kāi)發(fā)了改性活性炭（表1）。本期介紹活性炭的一些應(yīng)用領(lǐng)域。

　　表1：活性炭的幾種改性方法。

　　活性炭作為超級(jí)電容器

　　化學(xué)表面改性的活性炭廣泛用作儲(chǔ)能裝置。前材料使用同時(shí)化學(xué)(KOH)和物理(CO 2)活化方法生產(chǎn)活性炭。然后使用過(guò)氧化氫(H 2 O 2)，硝酸(HNO 3)和硫酸(H 2 SO 4)對(duì)所獲得的碳基材料進(jìn)行表面氧化。作為改進(jìn)的結(jié)果，未觀察到最終樣品的紋理特征的顯著變化，但表面的化學(xué)特性表現(xiàn)出明顯的變化。在活性炭的表面上引入了新的官能團(tuán)，導(dǎo)致HNO 3處理的碳中的比電容增強(qiáng)。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用其他原材料的KOH活化的活性炭。改性的活性炭在表面上誘導(dǎo)氧和氮基團(tuán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，富含氮的活性炭表現(xiàn)出較高的電容比摻氧的活性炭強(qiáng)很多。這些結(jié)果表明，富氧活性炭中的表面羧基官能團(tuán)阻止電解質(zhì)擴(kuò)散到多孔網(wǎng)絡(luò)中，而氮基團(tuán)的存在可以產(chǎn)生微中孔性和優(yōu)異的偽電容性質(zhì)。此外，HNO 3改性多孔木碳單塊可用于超級(jí)電容器。結(jié)果表明，與原始碳材料相比，電化學(xué)電容性能顯著提高。

　　活性炭作為二氧化碳吸附劑

　　使用氨改性活性炭能對(duì)二氧化碳快速吸附，是作為提高其CO 2獲取能力的替代方法。表面改性的活性炭的主要屬性是引入氮?dú)獾墓δ苄�，其表現(xiàn)出強(qiáng)堿性，可以誘導(dǎo)路易斯酸堿相互作用與酸性二氧化碳分子。這提高了吸附性能。然而，CO 2之間的化學(xué)相互作用非常強(qiáng)分子和吸附劑表面可導(dǎo)致不良的吸附劑再生并且在經(jīng)濟(jì)上是不利的。因此，適度的物理吸附是有效吸附氣體分子并在需要時(shí)釋放它們的理想相互作用。

　　活性炭作為有機(jī)污染物吸附劑

　　研究表明，與金屬相比，活性炭廣泛用于吸附有機(jī)分子。有助于活性炭的高吸附性能的主要因素包括其優(yōu)異的紋理特征和合適的表面官能團(tuán)的產(chǎn)生。據(jù)大家了解，富氧的酸性表面可以減少水性介質(zhì)中有機(jī)物質(zhì)的吸附，而它們的缺失會(huì)提高活性炭的吸附性能。在碳表面上引入的弱酸性官能團(tuán)可以增加金屬吸附能力，同時(shí)降低酚類化合物在水性環(huán)境中的吸附。這實(shí)驗(yàn)表明，在高濃度的表面酸性基團(tuán)中苯酚物理吸附減少，這可能是由于碳基面的分散力降低。這表明，隨著碳表面基面上π電子的可用性增加和吸附位置的氧含量降低，苯酚吸附增加。其他一些研究通過(guò)水優(yōu)選與氧部分的氫鍵吸附在活性炭表面上的事實(shí)解釋了苯酚的吸附減少。這導(dǎo)致形成阻礙酚分子進(jìn)入微孔結(jié)構(gòu)的大團(tuán)簇。這些氧簇隨后通過(guò)在碳中定位自由電子來(lái)降低吸附性能。其他機(jī)制表明吸附電子和吸附質(zhì)的芳香結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生兩種相互作用，即π-分散和靜電相互作用。迄今為止，幾乎所有涉及從水溶液中去除有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)研究都使用苯酚和苯衍生化合物作為模型研究。除表面化學(xué)外，還應(yīng)考慮其他因素，如溶液的pH值，溶液的溫度，吸附劑的類型，氧氣的有效性和礦物質(zhì)含量，以便有效去除廢水中的有機(jī)污染物。

　　活性炭作為染料吸附劑

　　在過(guò)去的幾十年里，紡織和染料工業(yè)正在取得重大進(jìn)展。然而，從廢水中去除多余的染料仍然是研究人員的一項(xiàng)挑戰(zhàn)性任務(wù)。我們分別用6M和10M硝酸和過(guò)氧化氫檢測(cè)表面改性的活性炭，同時(shí)在700℃下在H 2或N 2氣氛中加熱。結(jié)果表明，在高溫下用H 2處理制備的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附陰離子和陽(yáng)離子染料的能力。在另一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)中，使用兩種紡織染料在酸改性的活性炭表面和堿性碳表面上吸附。吸附能力表明，由于碳基面中的局域π電子與染料分子中的自由電子之間的分散力，基本表面在染料吸收中起到有益作用。另一方面，酸處理的樣品由于碳表面的氧化官能團(tuán)和染料分子之間存在排斥力而表現(xiàn)出降低的吸附。相反，這些結(jié)果不能應(yīng)用于所有紡織染料。一些染料表現(xiàn)出降低的吸附性和增加的基本特性。在此，酸性紅73和酸性黃23顯示出改善的攝取，但酸性藍(lán)74表現(xiàn)出降低的攝取。然而，這些染料主要由有機(jī)結(jié)構(gòu)組成。因此，可以制定一般假設(shè)增加活性炭表面的酸性官能團(tuán)應(yīng)導(dǎo)致染料吸收減少。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活性炭持續(xù)暴露于臭氧氣體中作為氧化劑將堿性表面位置轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝员砻嫖稽c(diǎn)。因此，亞甲藍(lán)的吸收減少。通過(guò)氧化可以從活性碳帶釋放電子這一事實(shí)進(jìn)一步闡述了這一點(diǎn)，這降低了染料環(huán)結(jié)構(gòu)中的π電子系統(tǒng)與碳表面上的石墨平面之間的色散相互作用。

　　在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用2M硝酸和鹽酸來(lái)改性碳表面。使用了這些碳，研究亞甲藍(lán)的攝取能力。使用HCl和HNO 3處理分別使吸附容量降低了10.6%和13.5%。得出結(jié)論，類似的機(jī)制是造成這些結(jié)果的原因，其中在活性炭和電子表面形成酸官能團(tuán)，從而減少了亞甲藍(lán)的吸收。他們進(jìn)一步解釋了使用這兩種酸導(dǎo)致的活性差異。用HCl處理的碳比用HNO 3處理的碳表現(xiàn)出更大的吸收。這可歸因于負(fù)離子(Cl -)可以吸附在碳表面上的正位點(diǎn)上，并且可以在碳表面上誘導(dǎo)負(fù)電荷，從而促進(jìn)帶正電荷的染料分子的吸附。然而，與這些實(shí)驗(yàn)相反，也有人聲稱濃H 2SO 4的高溫氧化可導(dǎo)致亞甲藍(lán)吸附增加。這可以通過(guò)高溫改性后增加的中孔體積來(lái)證明，這可以導(dǎo)致染料吸附增強(qiáng)。

　　我們對(duì)于活性炭改性應(yīng)用的期望有哪些，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上廉價(jià)的活性炭電極，其能夠以最小的電阻存儲(chǔ)大量能量。類似地，碳基材料具有增強(qiáng)CO 2的基本表面吸收是為了緩解全球變暖，是非常需要的。另一方面，需要進(jìn)一步研究具有表面活性劑改性的活性炭以消除來(lái)自水性介質(zhì)的污染物，以獲得優(yōu)異的性能，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有限的。此外，考慮到特定污染物的吸收增加和減少的影響，可以誘導(dǎo)選擇性吸附，這為清潔能源和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域提供了新的途徑。除了這些研究結(jié)果之外，重要的缺點(diǎn)是改性過(guò)程的成本和改性過(guò)程中使用的剩余危險(xiǎn)化學(xué)品的處理。在回收吸附劑時(shí)，應(yīng)注意用于改性的化學(xué)品不應(yīng)進(jìn)入大氣，須要回收。吸附劑應(yīng)用于循環(huán)測(cè)量并易于再生。牢記所有這些要點(diǎn)，該領(lǐng)域需要簡(jiǎn)單，新穎，簡(jiǎn)單和更環(huán)保的技術(shù)來(lái)改性活性炭。

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