活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　与土壤和水污染不同，空气污染不仅限于污染源所在的空气，这不仅仅是地方性问题。相反，空气污染的影响比较广泛，因为由于其特征，它能扩散到很大的一块区域。主要的空气污染物包括SO x，NO x，CO，CO 2，挥发性有机化合物(VOC)和粉尘。先前开发的具有多孔结构的材料由于其大的比表面积和孔体积而已用于工业纯化和化学回收应用中。在加入活性炭的纤维中提高了物理吸附能力，比表面积和孔径分布。在对付极性分子，如SOX的吸附和NO X，也可以通过与活性炭表面的官能团的特异性相互作用得到加强。在典型的工业条件下，SO 2吸附效率主要取决于碳表面，而不是一般的纹理参数的化学性质。为了进一步改善这种活性炭纤维的气体吸附性能，已经通过在活性炭纤维的表面上添加官能团或用过渡金属氧化物浸渍纤维来进行提高吸附效率和催化特性的策略的研究。

　　因此，在本文中，我们集中于评估所制备的活性炭在SO 2气体的吸附和电化学检测中的潜在用途。还研究了各种金属氧化物掺杂剂(例如氧化锌和氧化铜)在SO 2气体吸附中对活性炭纤维的作用。评估了这些碳材料的化学和质地特性在有害气体吸附中的潜在应用。

　　活性炭纤维是怎么样制造的

　　在碳化之前，将纤维在300°C的空气中稳定30分钟。稳定化的纤维在以下条件下在氮气气氛中于1000°C进行热处理：加热速率为10°C/min，保持时间为1 h，氮气供给速率为100 ml/h。进行了热处理的样品称为未活化纤维。接着准备KOH溶液作为化学活化剂。将未活化纤维放置在反应器内的铝制皿中。然后，以15 ml/g的浓度添加KOH溶液，并将纤维在氮气中于750°C活化3 h。加热速率为5℃/min，并且氮气进料速率为100ml/min。反应后，将样品用蒸馏水洗涤几次以除去残留的钾，并在120℃的烘箱34中干燥24小时制成活性炭纤维。

　　使用水热处理是在活性炭表面上生成金属氧化物相对均匀分散是较简单方法。由100毫升的100、250和500 mmol醋酸锌二水合物溶液和100毫升的100、250和500 mmol氢氧化钠溶液制备ZnO，两种溶液均在不断搅拌下在蒸馏水中制备，并转移至带有活性炭的高压釜中。将高压釜在120℃下加热12小时。通过离心收集经ZnO处理的活性炭，并用甲醇洗涤几次。洗涤后，将活性炭在80°C的空气中干燥12小时，然后在400°C的空气中退火2小时制成CuO-ZnO掺杂的活性炭。

　　制成的活性炭纤维的表面形态

　　图1显示了ZnO颗粒和ZnO负载的活性炭纤维表面形态随ZnO浓度变化的SEM图像。形成花状的ZnO结构，并且ZnO颗粒的直径为50〜170 nm。根据EDS分析，ZnO颗粒中的Zn和O含量分别为58.47%和41.53%。在制备ZnA样品期间，ZnO颗粒分散在纤维表面上。另外，在低浓度下，ZnO颗粒的形状不利于生长，并且抑制了活性炭生长为六方柱形状的能力。SEM图如图1所示。CuO和ZnO颗粒在样品中聚集，并且这些聚集物分散在样品的纤维表面上。SEM图像表明，一些活性炭的孔被CuO和ZnO颗粒阻塞。

　　图1：掺杂ZnO的活性炭纤维以及与活性炭结合的CuO-ZnO的FE-SEM图像。

　　二氧化硫吸附至BET表面积的比较

　　我们检查了各种催化剂载体的浓度增加对SO 2吸附到活性炭纤维上的化学作用，并观察到SO 2容量与表面性质之间存在明显的相关性。图2显示了对于处理过的活性炭纤维，根据BET比表面积的SO 2吸附能力。对于用催化剂载体浸渍的活性炭纤维，观察到SO 2吸附增加。表面处理后，活性炭的质地特性未显示出较大的结构缺陷。根据这些结果，可以得出结论，与CuO-ZnO组合结构相互作用，孔附近的SO 2分子比其他具有孤对电子的分子受到的影响更大，从而产生了影响SO 2中电子的吸引力。分子。预期表面化学成分的这些差异会影响电化学性能。

　　图2：根据各种掺杂金属氧化物的活性炭纤维的BET比表面积，比较SO 2的吸附能力。

　　CuO-ZnO掺杂活性炭吸附二氧化硫的可能机制

　　在图3中，CuO颗粒随机分散在ZnO花表面上。当CuO颗粒与ZnO花结合时，在p型CuO颗粒和n型ZnO花之间的界面处形成p/n结。在这种机制下，电子从n型ZnO转移到p型CuO，并且空穴通过p型CuO到达n型ZnO，直到在系统中建立均匀的费米能级，从而导致能带在耗尽层弯曲。然而，当CuO-ZnO组合结构暴露于SO 2时，电子通过Cu +之间的气敏反应释放和SO带负电的2 -离子。还原的SO 2分子与CuO中的孔结合，从而减少了耗尽层和电阻。这种现象可通过降低电阻来实现良好的SO 2检测。因此，p型CuO和n型ZnO的传感响应的贡献代表了传感器的主要特性，而活性炭纤维的比表面积在SO 2传感特性中起着重要的作用。

　　图3：p-CuO/n-ZnO结结构及其机理。

　　pn结结构有助于对二氧化硫的高灵敏度检测，并降低了室温下的电阻。活性炭纤维的比表面积在改善SO 2感测特性方面也起着关键作用。这种类型的调查对于在实际环境中测试气体吸附剂和传感器的性能非常重要。活性炭纤维的化学性质及其在SO 2吸附中的潜在用途。由于吸附是气体去除和检测的基础，因此活性炭纤维材料可有助于防止有毒气体。

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