毛竹生物质活性炭不同活化方法的比较研究：从制备工艺到材料性能的系统分析

《Cardiology Clinics》：Comparison of different activation methods for activated carbon produced using various methods from P hyllostachys edulis (bamboo moso) biomass

本研究针对生物质活性炭制备方法对其性能影响机制不明确的问题，系统比较了毛竹生物质三种不同预活化（两种化学方法和一种物理方法）与活化方法（不同KOH比例和活化温度）制备的活性炭材料。通过SEM、FTIR、TGA、Raman和77K N2物理吸附等表征技术，发现不同方法制备的材料在形貌、表面官能团、热稳定性、石墨化程度以及比表面积（最高达3419 m2/g）和孔结构等方面存在显著差异。研究证实毛竹是制备高性能活性炭的优良生物质原料，且制备方法可调控材料性能，为定向设计功能化活性炭材料提供了重要依据。

　　

随着全球对可持续发展和环境保护的日益重视，寻找可再生资源替代传统化石原料已成为材料科学领域的重要研究方向。活性炭（Activated Carbon）作为一种具有高比表面积、丰富孔结构和可调控表面化学性质的多孔碳材料，在吸附分离、催化、能源存储与环境修复等领域发挥着不可替代的作用。然而，传统活性炭主要来源于煤炭、石油焦等不可再生资源，其生产过程存在能耗高、环境污染大等问题。因此，利用可再生生物质资源制备活性炭成为当前研究的热点。

在众多生物质原料中，毛竹（Phyllostachys edulis）展现出独特优势。这种禾本科植物不仅生长迅速、适应性强，而且在生长过程中能够吸收大量CO₂，具有显著的碳封存能力。竹材作为一种丰富的自然资源，其废弃物的高值化利用符合循环经济理念。然而，尽管已有多种从生物质制备活性炭的方法见诸报道，但不同制备方法对最终材料性能的影响机制尚不明确，特别是针对同一种原料系统比较不同活化方法的研究相对缺乏。

为了解决这一问题，来自意大利东皮埃蒙特大学可持续发展和生态转型系的研究团队开展了一项系统研究，比较了三种不同预活化和活化方法对毛竹基活性炭性能的影响。该研究旨在阐明制备工艺与材料性能之间的构效关系，为生物质活性炭的定向制备提供理论指导和技术支持。相关研究成果发表在《Cardiology Clinics》上。

研究人员采用了几种关键实验技术对制备的材料进行系统表征：扫描电子显微镜（SEM）用于观察材料形貌结构；热重分析（TGA）在氮气氛围下评估材料热稳定性和水分含量；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面官能团；拉曼光谱（Raman）表征材料石墨化程度；77K氮气物理吸附测定比表面积和孔结构参数。这些技术的综合运用为全面评价不同方法制备的活性炭性能提供了可靠依据。

4.1. 扫描电子显微镜

通过SEM观察发现，不同活化方法显著影响了材料的微观形貌。水热预活化样品（HABC）呈现高度多孔结构，表面不规则且存在不同直径的颗粒聚集体；硫酸预活化样品（SABC）则为致密材料，颗粒形状不规则且表面无明显孔隙；而热解预活化样品（PABC）则保留了植物原料的原始结构特征，颗粒呈针状，可见纤维和细胞结构残留。这些形貌差异直接反映了不同活化方法对生物质原料的作用机制不同。

4.2. 热重分析

TGA结果显示，三种材料在热稳定性、亲水性和石墨化程度方面存在明显差异。HABC样品表现出最强的亲水性，在68°C有明显的失重峰，对应于表面水分的脱除。该样品在80-900°C温度区间持续失重15%，900°C时残炭率为57%。SABC样品在900°C时残炭率最高，达到83%，表明其石墨化程度最高。PABC样品在600-775°C出现5%的失重，对应于含氧官能团的分解和石墨化过程的完成，最终残炭率为38%。这些数据揭示了不同活化方法对材料热行为和碳结构形成的不同影响。

4.3. FTIR光谱

FTIR光谱分析表明，所有样品在2000-400 cm^-1范围内均显示出特征吸收峰。1540-1480 cm^-1处的峰对应于芳香结构中C=C伸缩振动，其位置在不同样品中的差异反映了表面官能团的不同。1058-1025 cm^-1处的强峰归因于碳结构中C-O键的存在。低于1000 cm^-1的三个波段与不同取代类型的芳香环相关。值得注意的是，SABC样品中未检测到C-S键信号，这可能是因为活化温度超过250°C后此类键已分解。高频区域（2750-4000 cm^-1）的光谱在不同样品间无明显差异。

5. Raman光谱

拉曼光谱分析揭示了材料的石墨化程度和缺陷密度。通过计算D带（约1350 cm^-1）和G带（约1600 cm^-1)的强度比（I_D1/I_G），可以评估材料的石墨化程度。PABC样品的I_D1/I_G比为1.30±0.15，表明其石墨化程度最高；HABC样品为1.69±0.49；SABC样品为1.91±0.40，石墨化程度最低。这些结果说明热解预活化方法最有利于形成结晶度较高的碳材料，而化学预活化方法则导致更多结构缺陷的产生。

6. 孔隙分析

氮气吸附-脱附测试结果显示，三种活性炭的比表面积和孔结构参数存在显著差异。PABC样品具有最高的比表面积（3419 m²/g）和总孔容（1.45 cc/g），其次是HABC样品（1577 m²/g，0.856 cc/g），SABC样品最低（359 m²/g，0.27 cc/g）。孔径分布分析表明，SABC材料主要以约10 ?的微孔为主；HABC材料则具有更复杂的孔结构，包含6、8.5、10和13 ?的微孔家族以及22、26、31和53 ?的介孔家族；PABC样品在保留类似孔家族的同时，微孔和介孔体积均显著增加。所有样品均显示伪Langmuir型吸附等温线，在0.4-1 P/P₀范围内出现滞后环，表明存在介孔结构。

本研究通过系统比较三种不同预活化和活化方法对毛竹基活性炭性能的影响，得出以下重要结论：首先，毛竹确实是一种适合制备高性能活性炭的理想生物质原料，不同制备方法均可获得具有应用潜力的多孔碳材料。其次，制备方法显著影响最终材料的各项性能指标，包括形貌结构、表面化学、热稳定性、石墨化程度以及孔结构特性。特别值得注意的是，热解预活化结合化学活化方法制备的PABC样品表现出最优异的性能，其比表面积高达3419 m²/g，总孔容达到1.45 cc/g，且具有较高的石墨化程度。

研究结果强调了活化方法选择对生物质活性炭性能调控的重要性。水热预活化方法有利于形成多孔结构但石墨化程度较低；硫酸预活化可获得高石墨化材料但比表面积有限；而热解预活化则能在保持较高石墨化程度的同时实现优异的孔隙发育。这些发现为根据特定应用需求选择合适的活性炭制备工艺提供了科学依据。

该研究的创新之处在于对同一种生物质原料系统比较了多种活化方法，并采用多种表征技术全面评价材料性能。研究结果不仅证实了毛竹作为活性炭原料的可行性，更重要的是揭示了制备工艺与材料性能之间的内在联系，为生物质活性炭的定向设计和可控合成提供了重要理论基础。未来研究可进一步探索这些材料在具体应用场景中的性能表现，如气体吸附分离、水处理、电化学储能等，推动生物质活性炭的实际应用和产业化发展。