Реактивация углерода — ключевой процесс, который придает углеродным материалам превосходные адсорбционные свойства и поверхностную активность. Его суть заключается в регулировании микроструктуры и поверхностных химических свойств углеродной матрицы физическими или химическими средствами, тем самым достигая целевого проектирования функций материала. В процессе реактивации углерода первым шагом является термическое разложение и карбонизация предшественника, образующего основные структурные единицы углеродных гексагональных колец, которые расположены хаотично. Эти единицы связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса и ковалентными связями, образуя исходный углеродный каркас. На этом этапе углеродный материал обычно имеет низкую удельную поверхность и закрытую пористую структуру, что требует дальнейшего развития его внутреннего пространства посредством процесса активации.
При физической активации в качестве активирующих агентов используется пар, углекислый газ или воздух. В диапазоне температур 800-1100 градусов молекулы активирующего агента вступают в реакции окисления с атомами углерода в углеродном каркасе. Этот эффект избирательного травления возникает преимущественно на более энергичных активных участках углеродной структуры, например, на дефектах, ненасыщенных связях и т. д. По мере продолжения реакции активации первоначально образовавшиеся микропоры расширяются слой за слоем за счет травления стенок пор, а взаимосвязь между соседними микропорами образует мезопоры, в конечном итоге образуя многоуровневую сеть пор, состоящую из микропор, мезопор. Точный контроль температуры и времени активации имеет решающее значение в этом процессе: слишком низкая температура приведет к медленной скорости реакции активации и неполному развитию пор; в то время как слишком высокая температура может вызвать чрезмерное выгорание углеродного скелета, снижая механическую прочность и выход материала.
Химическая активация включает введение химических веществ до или во время карбонизации. Его механизм более сложен, чем физическая активация, и включает дегидратационный, каталитический и травильный эффекты. По сравнению с физической активацией химическая активация имеет преимущества, заключающиеся в более низкой температуре активации и более высокой эффективности реакции, а введение агентов изменяет химическую среду на поверхности углеродного материала -, например, активация фосфорной кислотой может сохранять больше кислородсодержащих- функциональных групп, в то время как активация гидроксидом калия имеет тенденцию к образованию щелочных поверхностей, богатых электронами-.
Модификация поверхности в процессе реактивации углерода является еще одним важным аспектом улучшения специфических свойств материала. В условиях высокой-температуры реакции активации поверхность углеродного материала подвергается химическим реакциям с активирующим агентом и примесными газами в атмосфере, образуя кислородсодержащие функциональные группы,-например, гидроксильные, карбоксильные и т. д., а также небольшое количество азотных и сернистых групп. Типы и количества этих функциональных групп напрямую влияют на смачиваемость поверхности, электрохимические характеристики и селективность адсорбции углеродного материала -, например, введение карбоксильных групп может значительно повысить способность материала к хелатированию катионов тяжелых металлов, а присутствие азота пиридинового - типа может улучшить его каталитическую активность в реакциях восстановления кислорода. Кроме того, поверхностные дефекты (такие как одиночные вакансии, двойные вакансии и топологические дефекты), образующиеся в процессе активации, создают большое количество активных центров для материала, демонстрируя уникальные преимущества в хранении энергии, каталитическом преобразовании и других областях.
От микроскопического механизма до макроскопических характеристик развитие технологии реактивации углерода всегда основывалось на законе корреляции «структура - производительность - применение». Благодаря применению передовых методов определения характеристик, таких как синхротронное излучение и электронная микроскопия с коррекцией аберраций-, исследователи получили более глубокое понимание динамического процесса эволюции пор и механизма образования поверхностных функциональных групп в процессе активации, обеспечивая теоретическое руководство для точного управления микроструктурой углеродных материалов. В будущем благодаря многомасштабному моделированию и интеллектуальному экспериментальному проектированию технология реактивации углерода будет развиваться в более экологичном и индивидуальном направлении, еще больше расширяя границы своего применения в области экологического управления, новой энергетики и высокотехнологичного-производства.