氧流辅助磷酸活化木质纤维素生物质制备多孔碳材料：表面功能化调控与结构缺陷设计提升Cr(VI)吸附性能

本文创新性地提出氧流辅助H3PO4化学活化策略，通过协同调控生物质衍生碳材料（AC）的孔隙结构（微孔/介孔）、表面官能团（O/P掺杂）和结构缺陷密度，显著提升Cr(VI)吸附性能。研究结合DFT计算和蒙特卡洛模拟，揭示含氧/磷官能团与结构缺陷的协同吸附机制，为重金属废水处理材料设计提供新思路。

　　

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【孔隙结构调控】

活化气氛对材料孔隙结构的形成具有决定性影响。惰性气氛热解产生的微孔材料比表面积达252 m²/g（图1），而氧流辅助活化显著提升孔隙率，形成分级孔道结构。特别值得注意的是，H₃PO₄与氧气的协同作用产生独特的"微孔-介孔"平衡结构，这种结构优势为Cr(VI)吸附提供了理想的传质通道和活性位点。

【表面化学特性】

XPS分析显示，双活化策略使材料表面氧含量提升38%，磷掺杂量达2.7 at%。红外光谱证实形成了丰富的C=O、P=O和P-O-C键（图3），这些极性官能团通过静电吸引和配位作用显著增强对CrO₄^2-的捕获能力。拉曼光谱ID/IG值（1.32）表明材料具有高密度结构缺陷，这些缺陷位点可作为额外的吸附活性中心。

【吸附性能验证】

在pH=2条件下，优化材料对Cr(VI)的最大吸附容量达298 mg/g（表3）。动力学研究表明吸附过程符合准二级动力学模型，表明存在化学吸附机制。特别有趣的是，离子强度实验显示材料在含Na⁺/Ca²⁺的复杂水体中仍保持85%以上吸附效率，证实其实际应用潜力。

【理论计算揭示机理】

DFT计算表明Cr(VI)优先吸附在邻位羰基和磷酸基团共存的位点（图6），结合能达-2.34 eV。蒙特卡洛模拟进一步显示，结构缺陷边缘的悬空键对Cr₂O₇^2-具有特异性识别作用，这种多重作用机制解释了材料卓越的吸附性能。

【结论】

该研究开创性地将氧流辅助与磷酸活化相结合，制备出具有可控孔隙结构、丰富表面官能团和高缺陷密度的新型吸附材料。理论计算与实验验证相结合的研究方法，为重金属吸附材料的设计提供了新范式。