动力活性炭的使用通常受到颗粒大小和孔隙率不一致的限制，导致吸附效率降低。在这项研究中，我们展示了一种实用且环保的方法，通过一系列脱木质素、碳化和活化过程，从木质生物质中制造出具有高度均匀超微孔的3D石墨烯纳米结构。此外，本研究还评估了该结构对CO₂、CH₄和N₂气体的捕获特性及其对二元混合气体的选择性。基于结构和化学分析，脱木质素单体具有由纤维素基纤维连接的片层结构。有趣的是，仅将KOH蒸汽活化技术应用于去木素化样品，就形成了一个由相互连接的具有高结晶度的石墨烯片组成的单片3D网络。特别是Act. 1000样品的比表面积为1480 m²/g，孔隙体积为0.581 cm³/g，在3.5-11 Å范围内，超微孔均匀分布在90%以上。单片石墨烯基样品主要由超微孔组成，在110 kPa下对CO₂的捕获能力显著提高，达到6.934 mol/kg，并且在二元气体混合物(CO₂/N₂, CO₂/CH₄和CO₂/CH₄)中具有良好的选择性。本研究的研究结果表明，这种生物质衍生的3D结构有潜力作为气体分离应用中的整体吸附剂。
 

图1. （a） 为脱木素木材（b，c），Carb提供了制造步骤的示意图，以及扫描电子显微镜（SEM）和数字（插图）图像。balsa脱木素（d，e）后在800℃炭化，高孔石墨烯基Act多孔石墨烯基Act.800（f，g），Act.900（h，i）和Act.1000（j，k）样品分别在Ar气体下的不同温度（800、900和1000℃）下活化。扫描电镜图像的插图显示了相应的数字图像。
 

图2. 脱木素后炭化样品（炭黑）和活化样品（Act.800、Act.900和Act.1000）在77 K.（a）N₂吸附/解吸等温线数据下的织构性质。（b） 累积孔隙体积。（c） 使用NLDFT方程计算孔隙体积直方图。（d） 氮吸附能分布曲线。
 
 
图3. 脱木素和活化后炭化balsa（Carb.balsa）的特性（Act.800、Act.900和Act.1000）。（a） 拉曼光谱。（b）碳化物的透射电子显微镜（TEM）图像。balsa，（c）法案。800，（d）法案。900和（e）法案。低倍TEM图像（插图：1–210、0–110、−1010和−2110的选区衍射图）。（f） 高倍TEM图像（插图：夹层间距）。
 

图4. Balsa木材、脱木素后炭化Balsa（Carb.Balsa）和活化（Act.800、Act.900和Act.1000）样品的化学性质。炭化木和活性木化学成分的XPS测定。（a） 调查。（b） C 1s窄扫描光谱。
 

图5. 吸附等温线和吸附能分布。ACT.800,ACT.900，ACT.1000个样本（黑线：通过Sips方程拟合的值）。（a） 氮气在狭缝孔中的吸附。（I型）3.5–5.5Å。（II型）5.5–11Å。（III型）11–20Å。（b） 在298.15 K下测定了样品对CO₂的吸附等温线。（c）表示CO₂的ACT.800,ACT.900，ACT.1000的吸附能分布。（d） Act吸附等温线。在CO₂气体、CH₄和N₂条件下，298.15 K.（e）。Act.1000的CO₂、CH₄和N₂样品吸附能分布的。二元混合物对的最后选择性Act.1000。（f）IAST选择性与摩尔分数和（g）IAST选择性与压力。
 
      相关研究成果由顺天大学Wang-Geun Shim和韩国公州国立大学Sung Ho Song等人2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接: https://doi.org/10.1021/acsami.4c05600)上。原文：An Ultramicroporous Graphene-Based 3D Structure Derived from Cellulose-Based Biomass for High-Performance CO2 Capture

转自《石墨烯研究》公众号