1秒制备多孔碳

传统的高温碳化和活化方法需要长时间的加热和退火过程，这过程复杂、耗能且污染严重，极大地限制了多孔碳的大规模生产。

中国矿业大学张文军等人首次通过闪速焦耳加热（FJH）法实现了利用三种不同变质程度的烟煤样品快速高效地制备多孔碳。制备过程在不到1秒的时间内完成，无需化学处理，过程更加环保。

对多孔碳的物理和化学性质进行了分析，并研究了其对亚甲基蓝（MB）的吸附机制。结果表明，朔州（PC-SZ）、古交（PC-GJ）和长治（PC-CZ）制备的多孔碳的比表面积分别达到601.95、361.91和256.33 m²/g。不同变质程度煤炭的化学性质多样性导致了多孔碳性质的不同。PC-SZ含有较高含量的含氧官能团和缺陷。吸附实验表明，PC-SZ对MB具有最佳的吸附能力。吸附过程可以很好地符合准二级模型。研究发现，更多的晶格缺陷和更大的层间距使PC-SZ成为亚甲基蓝（MB）的优良吸附剂。因此，FJH可以成为制备具有优异吸附性能的多孔碳的创新方法，并有望实现大规模生产。

相关研究成果以“Rapid preparation of porous carbon by Flash Joule heating from bituminous coal and its adsorption mechanism of methylene blue”为题发布于《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》。

本研究中，首次使用三种不同变质程度的烟煤样本，通过Flash Joule加热（FJH）方法实现了多孔碳的快速高效制备。制备过程在不到1秒的时间内完成，无需化学处理，过程更加环保。分析了多孔碳的物理和化学性质，并研究了多孔碳对亚甲基蓝（MB）的吸附机制。结果显示，由朔州（PC-SZ）、古交（PC-GJ）和长治（PC-CZ）制备的多孔碳的比表面积分别可达601.95、361.91和256.33 m²·g⁻¹。不同变质程度煤炭的化学性质多样性导致了多孔碳的不同特性。PC-SZ含有更多的含氧官能团和缺陷。吸附实验表明，PC-SZ对MB具有最佳的吸附能力。吸附过程非常适合用伪二阶模型来拟合。研究发现，更多的晶格缺陷和更大的层间距使PC-SZ成为亚甲基蓝（MB）的优秀吸附剂。

图1. 展示了FJH实验装置的示意图，包括控制模块、工件模块、能量存储模块、样品台和计算机等组成部分。该装置通过石墨电极和铜箔的紧密配合，实现了烟煤样品的瞬间高温加热，为多孔碳的快速制备提供了硬件基础。

图2. 揭示了FJH过程中的最大温度和输出能量，以及实际与模拟的温度变化曲线。结果表明，FJH技术能在瞬间达到制备多孔碳所需的高温，并且具有很好的温度控制能力。特别是对于PC-SZ样品，其反应时间仅需250毫秒，冷却时间仅为900毫秒，显示出FJH技术的高效性。

图3. 通过扫描电子显微镜（SEM）图像，直观展示了不同烟煤制备的多孔碳的表面形貌。PC-SZ样品表面粗糙、孔隙发达，而PC-CZ样品表面相对光滑，孔隙较少。这些微观结构的差异直接影响了多孔碳的吸附性能。

图4 显示了不同多孔碳样品的氮气吸附等温线，通过BET、t-plot和BJH方法计算得到的比表面积和孔体积数据，反映了样品的孔隙结构特性。PC-SZ样品具有最大的比表面积和孔体积，这与其优异的吸附性能密切相关。

图5. 展示了多孔碳的孔径分布，按照IUPAC标准将孔分为微孔、中孔和大孔。PC-SZ样品中微孔的比例最高，这为MB分子的吸附提供了更多的活性位点。

图6. 通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了多孔碳的晶体结构、缺陷结构和表面官能团。结果表明，PC-SZ样品具有更多的晶格缺陷和含氧官能团，这有助于提高其对MB的吸附能力。

图7. 展示了MB吸附动力学曲线，通过拟合伪一阶和伪二阶动力学模型，分析了吸附过程的动力学特性。PC-SZ样品的吸附过程更符合伪二阶动力学模型，表明其吸附过程主要受化学吸附控制。

图8. 展示了Weber-Morris内颗粒扩散模型的拟合结果，进一步验证了吸附过程包括外部质量传递和内部颗粒扩散两个阶段。

图9. 阐释了MB在不同多孔碳上的吸附机制。PC-SZ样品因其较大的比表面积、丰富的微孔结构和较多的晶格缺陷，为MB分子提供了更多的化学吸附位点，并通过静电作用吸附带正电荷的MB分子。

总结

本研究成功应用Flash Joule heating（FJH）技术，快速制备了具有高比表面积和优异吸附性能的多孔碳材料。研究结果揭示了烟煤变质程度对多孔碳物理化学性质的影响，尤其是低变质程度烟煤在制备过程中展现出的高挥发分含量，有利于多孔碳孔隙结构的发展。FJH技术以其快速、节能和环保的优势，为多孔碳材料的绿色制备提供了新的策略。

展望未来，FJH技术在多孔碳材料的可控制备方面展现出巨大潜力，有望进一步优化以满足特定应用需求。此外，该技术在其他碳基材料的制备和改性中也具有应用前景，有助于推动能源存储、催化和环境治理等领域的技术进步。随着对FJH技术深入理解和工艺的不断优化，预计该技术将为煤炭资源的高效利用和环境保护提供更多创新解决方案。

原文信息：

Qiang Li, Yajun Wang, Rongtao Zhu, Junchen Wu, Wenjun Zhang, Haozhi Lu. Rapid preparation of porous carbon by Flash Joule heating from bituminous coal and its adsorption mechanism of methylene blue. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2024, 132900.

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.132900.