動力活性炭的使用通常受到顆粒大小和孔隙率不一致的限制，導(dǎo)致吸附效率降低。在這項研究中，我們展示了一種實用且環(huán)保的方法，通過一系列脫木質(zhì)素、碳化和活化過程，從木質(zhì)生物質(zhì)中制造出具有高度均勻超微孔的3D石墨烯納米結(jié)構(gòu)。此外，本研究還評估了該結(jié)構(gòu)對CO
2、CH
4和N
2氣體的捕獲特性及其對二元混合氣體的選擇性。基于結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析，脫木質(zhì)素單體具有由纖維素基纖維連接的片層結(jié)構(gòu)。有趣的是，僅將KOH蒸汽活化技術(shù)應(yīng)用于去木素化樣品，就形成了一個由相互連接的具有高結(jié)晶度的石墨烯片組成的單片3D網(wǎng)絡(luò)。特別是Act. 1000樣品的比表面積為1480 m
2/g，孔隙體積為0.581 cm
3/g，在3.5-11 Å范圍內(nèi)，超微孔均勻分布在90%以上。單片石墨烯基樣品主要由超微孔組成，在110 kPa下對CO
2的捕獲能力顯著提高，達到6.934 mol/kg，并且在二元氣體混合物(CO
2/N
2, CO
2/CH
4和CO
2/CH
4)中具有良好的選擇性。本研究的研究結(jié)果表明，這種生物質(zhì)衍生的3D結(jié)構(gòu)有潛力作為氣體分離應(yīng)用中的整體吸附劑。
圖1. （a） 為脫木素木材（b，c），Carb提供了制造步驟的示意圖，以及掃描電子顯微鏡（SEM）和數(shù)字（插圖）圖像。balsa脫木素（d，e）后在800℃炭化，高孔石墨烯基Act多孔石墨烯基Act.800（f，g），Act.900（h，i）和Act.1000（j，k）樣品分別在Ar氣體下的不同溫度（800、900和1000℃）下活化。掃描電鏡圖像的插圖顯示了相應(yīng)的數(shù)字圖像。
圖2. 脫木素后炭化樣品（炭黑）和活化樣品（Act.800、Act.900和Act.1000）在77 K.（a）N
2吸附/解吸等溫線數(shù)據(jù)下的織構(gòu)性質(zhì)。（b） 累積孔隙體積。（c） 使用NLDFT方程計算孔隙體積直方圖。（d） 氮吸附能分布曲線。
圖3. 脫木素和活化后炭化balsa（Carb.balsa）的特性（Act.800、Act.900和Act.1000）。（a） 拉曼光譜。（b）碳化物的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。balsa，（c）法案。800，（d）法案。900和（e）法案。低倍TEM圖像（插圖：1–210、0–110、−1010和−2110的選區(qū)衍射圖）。（f） 高倍TEM圖像（插圖：夾層間距）。
圖4. Balsa木材、脫木素后炭化Balsa（Carb.Balsa）和活化（Act.800、Act.900和Act.1000）樣品的化學(xué)性質(zhì)。炭化木和活性木化學(xué)成分的XPS測定。（a） 調(diào)查。（b） C 1s窄掃描光譜。
圖5. 吸附等溫線和吸附能分布。ACT.800,ACT.900，ACT.1000個樣本（黑線：通過Sips方程擬合的值）。（a） 氮氣在狹縫孔中的吸附。（I型）3.5–5.5Å。（II型）5.5–11Å。（III型）11–20Å。（b） 在298.15 K下測定了樣品對CO
2的吸附等溫線。（c）表示CO
2的ACT.800,ACT.900，ACT.1000的吸附能分布。（d） Act吸附等溫線。在CO
2氣體、CH
4和N
2條件下，298.15 K.（e）。Act.1000的CO
2、CH
4和N
2樣品吸附能分布的。二元混合物對的最后選擇性Act.1000。（f）IAST選擇性與摩爾分?jǐn)?shù)和（g）IAST選擇性與壓力。
相關(guān)研究成果由順天大學(xué)Wang-Geun Shim和韓國公州國立大學(xué)Sung Ho Song等人2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.4c05600)上。原文：An Ultramicroporous Graphene-Based 3D Structure Derived from Cellulose-Based Biomass for High-Performance CO2 Capture
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
