水热调控构建分级多孔炭材料及其对CH4/N2和CO2/N2分离性能的协同增强机制

本文通过水热处理与KOH活化协同策略，成功构建了富含超微孔的分级多孔炭材料，显著提升了CH4/N2和CO2/N<2分离性能。研究揭示了水热预处理促进煤结构扩层与羰基生成，增强活化剂渗透性，并诱导碳纳米管形成优化传质路径。材料在298 K和100 kPa下表现出CH4吸附量1.75 mmol/g、CO2吸附量3.65 mmol/g及高选择性（CH4/N2=5.88，CO2/N2=14.82），为煤炭资源高值化与温室气体分离提供新思路。

　　

Structural characterization of hydrothermally treated carbon

水热处理碳的结构表征

XRD图谱显示（图1a），所有样品在约25°处出现明显的(002)衍射峰，对应芳香碳层的堆叠结构。与原始煤（RC）相比，HTP-X样品随着水热温度从200°C升至300°C，(002)峰逐渐宽化且强度减弱，表明石墨化程度降低且结构无序度增加。此外，(002)峰位置向低角度偏移，说明层间距扩大，这可能源于含氧官能团的嵌入和结构缺陷的形成。

FT-IR光谱进一步揭示了官能团演化（图1b）。原始煤在2920 cm^?1和2850 cm^?1处显示脂肪族C-H伸缩振动峰，而水热处理后这些峰强度显著降低，表明脂肪链在高温水热条件下发生断裂。同时，1700 cm^?1处羰基（C=O）振动峰强度明显增强，证实水热处理促进了含氧官能团的生成。此外，1600 cm^?1处的芳香骨架振动峰和1200 cm^?1处的C-O-C醚键峰也发生明显变化，表明煤分子结构发生了重组。

Raman光谱（图1c）显示所有样品在1350 cm^?1（D带，缺陷碳）和1590 cm^?1（G带，石墨碳）处存在特征峰。随着水热温度升高，I_D/I_G比值逐渐增大（从RC的0.92增至HTP-300的1.05），说明水热处理引入了更多结构缺陷和边缘位点，有利于后续活化反应的进行。

SEM图像直观展示了形貌变化（图1d-g）。原始煤呈现致密块状结构，而水热处理后样品表面逐渐变得粗糙并出现孔隙。尤其值得注意的是，HTP-300样品表面观察到纳米管状结构（图1g），经高分辨率TEM证实为多壁碳纳米管（图1h）。这些纳米管可能由煤中芳香分子在高温水热条件下自组装形成，它们可作为分子传输的快速通道，显著提升吸附动力学性能。

Conclusions

结论

本研究通过水热处理策略成功从低阶煤制备了分级多孔炭材料，用于高效CH₄/N₂和CO₂/N₂分离。水热处理扩大了层间距并向材料中引入羰基官能团，增强了KOH的蚀刻效果，促进了富含超微孔的互联孔网络形成。后续羰基向羧基的转化增加了表面极性，提高了对CH₄和CO₂的吸附亲和性。材料表现出优异的吸附容量和选择性，其性能归因于超微孔（<0.7 nm）、表面富集的羧基官能团以及π-π*相互作用。本研究为设计高效吸附剂提供了新策略，可用于煤矿瓦斯和烟气中温室气体的捕获与分离。