活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　三氯生(TCS)因其在地表水中的頻繁被檢測到，并且有助于直接產生危害更大的二惡英，所以引起了人們的關注。因此，需要一種具有成本效益的處理技術。富含氮的活性炭材料具有高比表面積，高孔隙率，可調孔徑，均勻的孔結構，優異的表面化學性質，良好的導電性和熱穩定性。由于活性炭的優異性能可應用到催化、傳感器、吸附劑、氣體吸附和氣體存儲等，所以本期實驗使用活性炭來做測試。

　　富氮活性炭的制造

　　將原材料(4.0g)，KOH(4.0g)和尿素(8.0g)(質量比為1：1：2)的混合物與30mL去離子水在100mL燒瓶中混合并在環境溫度下攪拌(15°C)2小時。然后將混合物轉移到瓷舟中并在氮氣氛下以5℃min-1的加熱速率加熱至800℃2小時。冷卻至環境溫度后，將所得樣品浸入HCl溶液(2.0mol L-1)中并攪拌1小時，然后用超純水反復洗滌直至pH值達到7。最后將樣品將其在真空下在60℃下干燥12小時制成樣品。

　　三氯生的吸附環境

　　為了測試活性炭在高濃度三氯生溶液中的吸附能力，三氯生的吸附研究是在CH3 CN中而不是在水中進行的。首先，制備2000mg L-1的乙腈溶液。然后，將5mg活性炭加入5.0mL 2000mg L-1 TCS到CH3 CN溶液中。將混合物在振蕩器中孵育60分鐘以允許建立吸收平衡。使每個樣品通過過濾器以從上清液中分離顆粒。通過測量280nm處的UV吸光度來定量濾液中TCS的殘余濃度。

　　摻氮活性炭材料特性

　　制成的活性炭材料由碳(64.43-78.38%)，氮(2.43-10.69%)，氫(1.12-1.86%)組成，其中暗示尿素有利于產生富氮活性炭材料。樣品表面氮含量與元素分析一致，進一步表明氮成功摻入碳基體中。此外，還從所獲得的活性炭中檢測到氧元素。提通過SEM和TEM觀察樣品的形態和結構。圖1a中的SEM圖像顯示產生了大量的多孔結構。從SEM圖像(圖1b和c)還可以看出含有連續的，相互連接的疏松多孔結構。交聯的多孔結構可以提供電極離子擴散和傳輸的通道。如圖1d所示，表現出光滑的表面和致密的結構，孔隙和通道非常有限。圖1e顯示了存在具有不規則區域的無定形結構，表明材料中存在一些無序缺陷和官能團。為了研究C，O和N的元素分布，進行了能量色散X射線光譜(EDS)測繪，結果如圖1所示(g-i)。所有元素在樣品表面上均勻分布，表明N成功地摻入活性炭的基質中。

　　活性炭對于三氯生的識別和去除

　　評估并測試所制備的活性炭作為三氯生的吸附材料。這種設計基于三個原因。首先，制備的活性炭具有大的表面積和獨特的多孔結構，這是非常理想的吸收材料。其次，活性炭中摻雜的吡啶-N(NS)，吡咯-N(NF)，石墨-N(NQ)和氧化-N(NX)等不同類型的氮原子可能通過氫鍵和酸與三氯生相互作用�；�礎互動。此外，活性炭還具有大的共軛芳族結構，其允許電子離域。這將促進與三氯生苯環的芳香-芳香相互作用。令人印象深刻的是，活性炭對于三氯生的吸附能力高達205mg g-1，這個數值遠高于其他吸附劑。

　　活性炭表現出良好的吸附能力。這可歸因于大的比表面積和氧和氮摻雜的協同效應�；钚蕴刻峁┝烁鞣N胺基，它們可以與O原子形成氫鍵并通過酸堿相互作用與羥基相互作用。也提供了芳環，活性炭可與三氯生的苯環形成芳香-芳香相互作用，如圖2所示�？傊�，結果表明制備的富氮活性炭在識別和去除三氯生方面具有很大的應用潛力。

　　通過同時碳化和活化以及特殊的方法，從原材料中設計和制備具有高氮含量和大表面積的富氮活性炭。所制備的活性炭擁有高比表面積和優異的電化學性能，以及優異的循環穩定性。此外，在測試條件下，活性炭對三氯生的吸附容量高達205mg g-1。而且生產方法對于制備摻氮活性炭材料的大規模制造也是有利的。這種來自低成本，豐富的可持續生物資源的功能性活性炭材料，可對包括儲能裝置和功能性吸附材料在內的應用產生實質性影響。

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