【文献解读】EES: 木质纤维素变身为高效储存甲烷的活性炭

目前合成活性炭的一个关键挑战是还不能制备具有可预测性和针对性属性的活性炭。特别是在没有完全理解用于合成活性炭的原始材料的特征参数的情况下，合成出来的活性碳就无法准确预测其孔隙率和堆积参数。因此，定向的有目的性的合成特定参数，特定性能的活性碳是非常具有挑战的。

近日, 英国诺丁汉大学Mokaya教授课题组在国际著名生物质领域顶刊Energy& Environmental Science发文, 提出了一种新颖的从木质纤维素定向合成具有特定性质，特定结构参数的活性炭的路线，所合成的活性炭展现出了杰出的甲烷吸附储存能力。其研究结果也有助于帮助研究者设计具有其他目标特性的活性炭而用于能源存储和环境修复等领域。

图文导读

首先，作者选用了枣仁作为合成活性炭的原材料，这是因为枣仁作为碳化的原材料具有非常低O/C比例，而使用低的O/C比例的原材料就能合成具有特定性能，特定孔隙率的碳材料。作者结合物理法和化学法来合成活性炭。物理法就是简单的在空气下焙烧枣仁来获得空气焙烧的活性炭ACDS。然后作者使用化学法来活化所合成的碳化后的ACDS. 就是使用不同摩尔的比例的KOH预处理活性炭，所处理的活性炭在氮气气氛下不同温度焙烧，焙烧后的活性炭被HCl中和得到ACDS_XT, x 代表KOH和ACDS的比例，T代表焙烧温度。

作者然后对所合成的材料进行了一系列的物理表征来确定该碳材料的基本性质参数。

材料元素分析结果表征说明了相比较原始的枣仁, 所合成的所有的活性炭均展现出了非常低的O/C比例。其中ACDS2800活性炭中所含的O/C比例最低，这是所报道的从木质纤维素中合成的碳材料比例的最低值。

随后作者对所合成的材料进行了TGA表征，表征结果表明，所合成的所有活性炭均展现出了杰出的热稳定性, 且所合成的活性炭表现出了极高的纯度，仅仅只有小于2%的不纯物。

作者然后使用BET表征来确定所合成活性炭的基本的物理参数，比如比表面，孔径，堆积密度，孔体积。

作者最后对所合成的不同种的活性炭进行了甲烷吸附性能测试，结果表明，所合成的ACDS4700表现出了杰出的甲烷吸附能力，达到222cm³/cm³, 这个数字远超过了其他所研究的生物质来源的活性炭所能吸附甲烷的数量。而且，这个数字也是和性能优异的金属有机框架MOF所能吸附的甲烷量类似的。

结论

• 一种新颖的绿色可持续的合成高性能的活性炭的方法被建立。
  

• 通过选择碳材料来源和制备方法去定向合成具有高比表面，高的孔隙率，高的堆积密度的生物质来源的活性炭。

• 合成的活性炭表现出了杰出的甲烷吸附能力，达到222cm³/cm³, 这个数字远超过了其他所研究的生物质来源的活性炭所能吸附甲烷的数量。而且，这个数字也是和性能优异的金属有机框架MOF所能吸附的甲烷量类似的。

原文链接

https://doi.org/10.1039/D0EE01340D

Afnan Altwala and Robert Mokaya，Predictable and targeted activation of biomass to carbons with high surface area density and enhanced methane storage capacity，Energy& Environmental Science，04，2020.

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