综述：氮掺杂活性炭的微观结构调控与气体吸附增强研究

【编辑推荐】本综述系统梳理了氮掺杂活性炭（NAC）的微波活化、焦耳闪蒸等新型制备技术，揭示了活化剂与氮掺杂剂对孔隙发育及表面化学的调控机制，重点阐释了吡啶氮（N-6）和吡咯氮（N-5）通过酸碱相互作用提升对CO2、SO2及VOCs吸附性能的分子机制，为环境污染物治理材料设计提供理论支撑。

　　

氮掺杂活性炭的合成与气体吸附机制

合成方法

氮掺杂活性炭（NAC）的制备主要分为原位合成与后处理法。原位法通过在碳前驱体（如生物质或聚合物）中直接引入尿素等氮源，经一步碳化实现均匀掺杂；后处理法则对预碳化材料进行氨气处理或液相氮化。新兴的微波活化技术能在数分钟内完成孔隙发育与氮掺杂，而焦耳闪蒸技术通过瞬时高温（>3000°C）将石墨烯氧化物与氮源快速转化为高比表面积（>1000 m²/g）NAC材料。

结构调控规律

活化剂（KOH/H₃PO₄）通过蚀刻作用构建微孔-介孔分级结构，而氮掺杂剂（如三聚氰胺）主要调控表面化学性质。温度是关键变量：700-900°C时吡啶氮（N-6）含量达到峰值，而低温（<600°C）更利于生成吡咯氮（N-5）。当微孔体积占比超过70%时，CO₂在1 bar和0°C下的吸附量可提升至280 mg/g。

气体吸附性能

N-6作为路易斯碱位点，通过电子转移与CO₂的碳原子形成强相互作用；N-5则通过氢键捕获SO₂分子。以硫酸活化大麻衍生NAC为例，其对萘的吸附量达296 mg/g，比未掺杂材料提高近3倍。值得注意的是，氧化氮物种在还原过程中产生的缺陷位可进一步增强对苯系物（BTEX）的吸附选择性。

结论与展望

当前NAC研究需突破精准控制氮构型分布的瓶颈，未来可探索机器学习辅助的多参数协同优化策略。在双碳目标背景下，NAC在工业废气处理与碳捕获技术（CCUS）中的应用潜力亟待深度挖掘。