碳基材料被認(rèn)為是與氣體吸附，儲(chǔ)能和廢水處理的一種吸附材料，一般用于去除有機(jī)和無機(jī)污染物。活性炭上的有效吸附很大程度上依賴于主要骨架的表面化學(xué)和紋理特征。活化技術(shù)和前體的性質(zhì)對(duì)表面功能具有強(qiáng)烈影響。因此，研究員的主要重點(diǎn)是通過選擇合適的前體進(jìn)行所需的吸附，以最佳方式創(chuàng)新或改進(jìn)活化方法。已經(jīng)使用各種方法，包括酸處理，堿處理和浸漬方法來設(shè)計(jì)具有化學(xué)改性表面的活性炭。本期提供關(guān)于活性炭表面改性的介紹。

　　表面化學(xué)特性

　　碳基材料的表面化學(xué)基本上依賴于化學(xué)表面的異質(zhì)性，這與表面上雜原子的位置有關(guān)。雜原子通常被稱為母體基質(zhì)中存在的除碳以外的一組原子，例如氧，氮，氫，硫和磷。這些元素的性質(zhì)和測(cè)量依賴于前體或接種方法在激活處理。通過觀察這些雜原子的性質(zhì)，提出了包含雜原子的表面官能團(tuán)以及芳族碳中的離域電子可以產(chǎn)生具有酸性或堿性表面的活性炭。

　　酸性表面

　　與酸性表面的活性炭主要包括含氧官能團(tuán)。這些基團(tuán)通常位于基面的外表面或邊緣上，并且在控制碳的化學(xué)性質(zhì)中起主要作用。這些特定的外部位置主要被認(rèn)為是吸附位點(diǎn)，因此這些特定點(diǎn)處的氧濃度對(duì)碳的吸附能力具有很大影響。廣泛的研究工作和結(jié)果表明，含碳原子的少數(shù)基團(tuán)，包括羧基，色烯，內(nèi)酯，苯酚，醌，吡喃酮，羰基和醚，通常位于碳表面上(圖1)。具有羧酸基團(tuán)的官能團(tuán)是通常用于表面酸度。其他表面酸性基團(tuán)包括羧酸酐，內(nèi)酯和酚羥基。

　　基本表面

　　負(fù)責(zé)活性炭的基本表面的兩個(gè)主要功能是：能夠結(jié)合質(zhì)子稠合芳族結(jié)構(gòu)和堿性表面官能團(tuán)(例如，富含氮的官能團(tuán))的離域π電子。以前的研究探索了某些含氧的官能團(tuán)，包括色烯，酮和吡喃酮，也可以促進(jìn)碳的堿性(圖1)。另一方面，廣泛的研究表明，活性炭的堿性來自碳基質(zhì)中的共振π電子。詳細(xì)說來，碳層中的π電子可以充當(dāng)路易斯基本位點(diǎn)。研究了兩個(gè)系列碳的基本表面特征，證明無氧碳表面可以有效地從水介質(zhì)中吸附質(zhì)子。優(yōu)異的吸附能力被認(rèn)為是位于碳微晶基面上富含π電子的區(qū)域中的位點(diǎn)。因此，這些地區(qū)具有路易斯基本特征。類似地，通過在碳表面上引入富氮官能團(tuán)的化學(xué)改性可以促進(jìn)從大氣中吸附CO 2。氮部分通常誘導(dǎo)基本特征，這可以提高通過偶極-偶極相互作用，氫鍵和共價(jià)鍵合碳表面與酸性物質(zhì)之間的相互作用。

　　活性炭的表面化學(xué)改性

　　活性炭具有三種不同類型的依賴于表面官能團(tuán)化學(xué)性質(zhì)的化學(xué)表面(酸性，堿性和中性)。通過改變表面上的官能團(tuán)可以改變這些化學(xué)特性。

　　酸處理

　　為了酸化活性炭的表面，表面通常被氧化，因?yàn)樗�通過降低礦物質(zhì)含量來增強(qiáng)碳表面的酸性特征和親水性。硝酸(HNO 3)，硫酸(H 2 SO 4)和磷酸(H 3 PO 4)被廣泛地用于此目的。在氧化過程中，在碳表面上產(chǎn)生富氧官能團(tuán)，包括羧基，內(nèi)酯和酚羥基。用于產(chǎn)生氧衍生的​​酸性基團(tuán)的最常用的活化方法是通過氣體和含水氧化劑的氧化。二氧化碳，氧氣，蒸汽和空氣在氣相氧化中用作氧化劑。低溫氧化導(dǎo)致強(qiáng)酸性官能團(tuán)(例如羧基)的產(chǎn)生，而升高的溫度導(dǎo)致弱酸性基團(tuán)(例如酚)的形成。液相氧化使用較少的能量，因?yàn)榕c氣相氧化相比，低溫氧化可在表面引入更高的氧含量。

　　堿處理

　　具有堿處理的活性炭在表面上誘導(dǎo)正電荷，這增強(qiáng)了帶負(fù)電荷的部分的吸附。產(chǎn)生具有基本表面特征的多孔碳的最方便的方法是在高溫下用氫氣或氨處理。用氨對(duì)高溫處理(400-900℃)活性炭導(dǎo)致在碳表面上形成堿性氮基團(tuán)。氮官能可以通過反應(yīng)被摻雜有含氮(如氨，硝酸和各種胺)或活化在富含氮?dú)獾沫h(huán)境中。可能存在的氮形式包括以下基團(tuán)：酰胺，酰亞胺，內(nèi)酰胺，吡咯和吡啶基。氨處理的主要作用是提高活性炭表面的堿性。除了在高溫下引入堿性氮原子外，排除氧基基團(tuán)可以顯著提高活性炭的堿度。這些氮官能團(tuán)通常誘導(dǎo)堿性，這可以通過偶極-偶極相互作用，氫鍵和共價(jià)鍵促進(jìn)吸附劑和酸性物質(zhì)之間的相互作用。

　　化學(xué)浸漬

　　人們普遍認(rèn)為，通過浸漬適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)可以顯著提高活性炭對(duì)消除有害毒素的吸附能力。可以將浸漬解釋為活性炭?jī)?nèi)表面中化學(xué)物質(zhì)的均勻分布。然而，一些研究人員引入表面官能團(tuán)如浸漬技術(shù)相關(guān)聯(lián)。在這種情況下，我們指的是用不影響活性炭表面pH的物質(zhì)浸漬。這些浸漬材料可以是金屬或聚合物質(zhì)，其通常不會(huì)引起顯著的pH變化。浸漬活性炭表面應(yīng)通過改善其內(nèi)置的催化氧化能力來增強(qiáng)材料的主要性能，促進(jìn)活性炭和浸漬劑之間的協(xié)同作用，以增強(qiáng)吸附并增加材料的惰性能力。多孔載體。用于生產(chǎn)浸漬活性炭的一般工業(yè)加工方法包括使用回轉(zhuǎn)窯或流化床用浸漬劑噴射未用過的碳。通常，浸漬材料包括氫氧化物，碳酸鹽，鉻酸鹽或硝酸鹽。

　　表面活性劑改性的活性炭

　　眾多研究努力正在致力于表面陰離子和陽離子表面活性劑。對(duì)這些表面活性劑在碳表面上的吸附的全面解釋仍不清楚。一般假設(shè)聲明表面活性劑和活性炭之間的疏水相互作用是表面活性劑在活性炭表面上吸附的主要來源。然而，這些表面活性劑改性的碳作為吸附劑直接暗示從水溶液中除去污染物是罕見的。有一種新的改性方法，其中粒狀活性炭摻雜陽離子表面活性劑，以便在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中改善從地下水中去除高氯酸鹽的ppb水平。他們發(fā)現(xiàn)，與原始活性炭相比，用十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)表面活性劑改性的活性炭在模擬的20-22分鐘空床中將高氯酸鹽穿透時(shí)間提高了30倍。

　　在這篇介紹中，提出了一些基于活性炭改性方面的方法，以提高水和空氣中各種污染物的吸附能力。使用不同的活化劑來誘導(dǎo)不同表面官能團(tuán)的形成。通常，從水性環(huán)境的金屬離子的攝取需要酸性處理，而堿性誘導(dǎo)強(qiáng)烈建議用于去除陰離子污染物，有機(jī)部分和CO的2從空中。在研究了所有可能的改性方法之后，人們發(fā)現(xiàn)酸性處理通常是研究和使用最多的技術(shù)，可能是由于其簡(jiǎn)單，易于使用，許多氧化劑的可用性以及已經(jīng)使用的眾所周知的氧化機(jī)理。多年來。目前，研究人員的主要關(guān)注點(diǎn)是設(shè)計(jì)具有改性表面和優(yōu)異的紋理參數(shù)的活性炭。

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