催化碳材料：碳纤维 活性炭纤维

碳材料分类碳材料是一类由碳元素组成的材料，具有重要的应用价值。

根据碳材料的性质和用途，可以将其分为多个类别。

1. 石墨类材料石墨是由碳元素构成的一种晶体材料，具有高的导电性和热稳定性。

石墨类材料常用于电极材料、高温材料、石墨烯等领域。

目前，石墨烯是石墨类材料中研究最为活跃的一个领域，已经被广泛应用于电子器件、光学材料、高性能传感器等多个领域。

2. 碳纤维材料碳纤维是一种由高强度碳纤维编织而成的材料，其强度、刚度和韧度都比钢铁高。

碳纤维材料具有重量轻、耐腐蚀、高强度等特点，广泛应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。

3. 碳纳米管材料碳纳米管是由碳单层膜卷曲成管状的材料，具有非常优异的力学、电学和热学性质。

碳纳米管材料广泛应用于材料分析、生物医学、电子器件等领域。

此外，碳纳米管材料还具有良好的柔性和可塑性，有望在柔性电子器件、柔性催化剂、可穿戴设备等领域得到广泛应用。

4. 活性炭材料活性炭是由天然、合成有机物或矿物经过特殊处理而制成的一种多孔材料。

活性炭材料具有非常高的比表面积和吸附性能，广泛应用于环境保护、水净化、气体净化、化学品储存、医药等领域。

除了以上几种常见的碳材料之外，还有许多其他的碳材料。

如碳纤维复合材料、碳石墨复合材料、碳陶瓷复合材料等。

这些碳材料在不同的领域中有着不同的应用，如航空航天、汽车、建筑等领域。

总之，由于碳材料具有优异的性质和应用价值，其研究和应用一直备受关注。

在未来，随着技术的不断进步和创新，相信碳材料的应用范围还将不断扩大，为人类社会带来更多便利和发展。

活性炭纤维制备技术研究（杭州科鉴建设工程检测有限公司浙江杭州 310030）摘要：活性炭纤维具有十分优异的吸附、催化性能，在我国得到了广泛的研究，并广泛应用于环保、化工等各个领域，本文从活性碳纤维的表面结构、孔结构、吸附性能、制备过程中预氧化、碳化和活化工艺及其在环保领域的应用方面进行了探索。

关键字：活性碳纤维；吸附；生产工艺活性炭纤维（activated carbon fiber-acf），亦称纤维状活性炭，作为一种理想的高效吸附材料，是在碳纤维技术和活性炭技术相结合的基础上发展起来的，是继粉状和粒状活性炭之后的第三代活性炭产品，acf是一种高效的吸附分离材料，并以其特殊的表面化学结构和物理吸附特性、催化特性等，被广泛应用于环保、化学化工、食品、医疗卫生、国防军工、航空航天、原子能、电子、交通运输、纺织和日常生活等领域。

1活性炭纤维的结构、性能acf的直径一般为10-30μm，亦被称为纤维状活性炭。

acf主要由c、h、o三种元素组成，其中c的含量均在85%以上，另外pan 基acf、沥青基acf含有氮元素。

活性炭纤维的表面约有60%的c 以类石墨碳形式存在，超过50%的碳原子都位于内外表面，由于表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合碳以外的原子及原子基团，从而构成了独特的表面化学结构。

微晶碳在比燃烧温度低的条件下与氧反应生成表面氧化物，主要有羧基、酚羟基、醌基等含氧官能团，此外还有含s、n、卤素等官能团。

对表面特性研究表明，表面酸性与吸附平衡有着密切的关系。

表面酸性增加，对酸性及中性有机物的吸附能力降低，对碱性有机物吸附能力增强，而对水蒸汽的吸附则相反[9]。

acf属于紊乱碳层堆叠的类石墨微晶结构，其基本结构单元是石墨带状层面，石墨层面中π电子具有一定的催化活性，边缘及表面缺陷处的碳原子所具有的不成对电子也可在催化中发挥作用，由于acf表面具有各种酸碱性质不同的含氧基团，它们与金属活性组分的相互作用能力不同，从而对许多反应具有催化作用。

碳素材料的性质和应用碳素材料是一种重要的高性能材料，其性能和应用远远超出了传统材料的范畴。

下面，我们将从碳素材料的性质和应用两个方面对其进行探讨。

一、碳素材料的性质1、高纯度：碳素材料通常需要极高的纯度。

碳素材料中的铁、氮和杂质都会影响其性能，因此，制备时要控制这些杂质。

2、强度高：碳素材料的强度非常高，这得益于碳素材料的晶体结构。

这种晶体结构使碳素具有高度的纤维化程度，并导致其材料极受力有力学优异性能。

3、尺寸稳定性：碳素材料的热膨胀系数非常小，因此其尺寸稳定性非常好。

4、低密度、高硬度：碳素材料的密度很低，这使它具有良好的机械性能。

其硬度非常高，足以用于高速度的磨砂作业。

5、高导电性：碳素材料由碳元素构成，因此具有良好的电导性。

这一特性使得碳素材料可用于电热合金、防静电材料等领域。

二、碳素材料的应用1、碳纤维：碳纤维是一种重要的碳素材料。

其具有独特的物理性质，具有高强度、高模量、低密度等优点。

碳纤维可以作为轻质的结构材料，广泛应用于飞机、汽车、航空航天等领域。

2、石墨：石墨是一种薄片状的碳素材料。

其具有高导电性、高热导率、低摩擦系数等特点。

石墨可以用于生产石墨电极、铅笔芯等各种领域。

3、活性炭：活性炭是一种具有百万孔隙的碳素材料。

其具有极高的比表面积、吸附性和化学稳定性。

活性炭可以用于空气净化、水处理、气体吸附等领域。

4、碳化硅：碳化硅是一种高导热性、高硬度的碳素材料。

其具有良好的机械性能和耐高温性能。

碳化硅可以用于制造陶瓷刀具、高温燃烧器、炉具等领域。

5、碳纳米管：碳纳米管是由碳纳米颗粒组成的管状结构。

其具有独特的物理、化学和力学性能。

碳纳米管可以用于电子领域、催化剂、生物医学等领域。

结论碳素材料在现代工业中扮演着极其重要的角色。

其优异的物理性质和广泛的应用领域使得碳素材料越来越受到人们的关注和青睐。

尤其是在节能环保、新能源、生物医药等领域，碳素材料一定会发挥更大的作用。

活性炭，我们真的了解吗作者：耿雁冰来源：《科学大众（中学）》2024年第02期供图/视觉中国在小学科学、初中化学中，都有关于活性炭的内容。

早在约公元前3750年，木炭就曾經在古埃及现身；1900年，英国人开始用炭化植物的方法制造活性炭；第一次世界大战时，活性炭已经在防毒面具里发挥作用了；1930年，在美国费城，活性炭已经成为吸附池除臭领域的No.1。

通过九年级化学中“水的净化”“金刚石、石墨、C60”等内容的学习，同学们对活性炭的了解更加深入了，不但知道活性炭具有吸附性，而且听说它能吸附很多种物质，还能重复使用。

这些说法是不是真的？今天，我们一起来好好了解一下。

人们对活性炭的学术定义一般是这样的：活性炭是以煤炭、木料或沥青等含碳元素的物质为原材料，经炭化、活化等步骤加工制备而成，具有孔隙发达、比表面积充足和表面化学基团丰富的特点，并且拥有强大的特异性吸附能力的炭材料的统称。

从定义就可以知道，制备活性炭的材料来源可不只有木材。

煤质活性炭：煤炭经历炭化、冷却、活化、洗涤四大步骤，即可制得煤质活性炭，其中炭化和活化最为重要。

我国的煤炭储备居世界前列，为提高煤炭的经济效益，除了发电，有相当一部分的煤炭被制成了活性炭。

因此，有2/3的活性炭是煤质活性炭。

木质活性炭：顾名思义，木质活性炭是以优质的薪材、木屑（块）、果壳等为原材料进行加工制备而成的。

这类活性炭一般着火点高、吸附容量大、过滤快，因此在生活中反而最为常见。

合成材料活性炭：它的种类最多，而且还有两个与众不同的家庭成员，分别是布类合成材料活性炭——炭纤维布和毡类合成材料活性炭——炭纤维毡。

需要注意的是，这两种活性炭经常被人们认成是碳纤维家族的成员，其实它们属于活性炭纤维。

虽然碳纤维和活性炭纤维都属于碳素纤维，但是它们还是有区别的。

前者是以乱层石墨结构形式存在的一种纤维状碳材料，主要被制作成复合材料，如碳纤维增强塑料。

而后者属于微晶碳系，是布满微孔的纤维状材料，对有机气体具有强大的吸附能力，在制作工艺上经历了活化这一步骤，而碳纤维并没有。

碳材料在环保领域中的应用随着人们对环境保护意识的提高，碳材料的应用在环保领域已经成为一种趋势。

碳材料是一种重要的特种材料，其特殊的物理、化学和结构性质使其在环保行业中有着广泛的应用。

一、碳材料的种类及特性碳材料主要包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯、活性炭和炭黑等。

这些材料均具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗磨损和导电性能等特点。

1.碳纤维碳纤维是以聚丙烯腈、芳族聚酰胺、煤焦油和天然纤维等为原料制成的一种轻质高强度材料。

它具有高强度、高弹性模量、低密度和高导热率等优良性能，是制造飞行器、航空发动机、高速列车、运动器材等高性能材料的重要原材料。

2.碳纳米管碳纳米管是由两个富勒烯结构组成的结构，其特性是抗拉强度、弹性模量和导电能力非常高。

因此，在纳米科技和电子学领域中应用广泛，如制造纳米传感器、乃至微型电池等。

3.石墨烯石墨烯是由一个碳原子层组成的二维晶体材料，其性质互补极强，比传统的铜等金属更加耐磨、导电和导热。

因此，石墨烯在生物医学、能源和电子等领域应用广泛。

4.活性炭活性炭是由天然材料或焦炭等为原料，在高温下通过物理或化学方法进行活化而得到的一种多孔高表面积材料。

其孔隙率高、比表面积大、吸附能力强，是制造净化空气、水、油等环保产品的重要原材料。

5.炭黑炭黑是一种颜料级黑色材料，也是碳素家族的一员，具有高强度、导电性和耐候性等特点，已经广泛应用于橡胶、油漆、塑料、印刷油墨、墨水和颜料等行业。

二、碳材料在环保领域中有着广泛的应用，其主要作用是减少环境污染，提高资源利用率。

1.空气净化活性炭具有能吸附气体、液体和溶液种种有害物质的特点，因此是空气净化、水净化行业的重要原材料。

活性炭净化后的空气甲醛、苯等有害物质的浓度大幅度降低，在建筑、汽车、办公室等空气密闭场所内得到广泛应用。

2.水处理活性炭、石墨烯等材料的高比表面积、孔隙率大等特点，使其成为净化水源的理想材料。

石墨烯纳滤技术能高效去除废水中的有机物、重金属等污染物，是近年来水处理领域的一种新型技术。

vocs碳基催化剂
VOCs（挥发性有机化合物）碳基催化剂是一种用于降低空气中挥发性有机化合物的浓度的催化剂。

这种催化剂通常由活性炭、碳纤维、碳纳米管等碳材料制成。

碳基催化剂具有较高的比表面积和孔隙结构，能够吸附和催化分解空气中的VOCs。

碳基催化剂的工作原理是通过吸附和催化反应来降解VOCs。

首先，VOCs进入碳基催化剂的孔隙结构中被吸附。

然后，催化剂表面的活性位点作用下，VOCs发生催化分解反应，形成较为稳定的无害物质或者氧化物。

最后，经过一系列反应后，VOCs的浓度得到降低。

碳基催化剂在空气净化领域得到广泛应用，特别是在挥发性有机物处理、室内空气净化和废气处理等方面。

其主要优点包括高吸附能力、高催化活性、低成本和良好的稳定性。

然而，碳基催化剂的应用仍面临一些挑战，如选择合适的催化剂材料、催化剂的寿命和催化剂的再生等问题。

碳捕集材料通常指的是能够从气体中捕获并固定二氧化碳的材料。

这些材料有多种形状，包括粉末、颗粒、纤维和薄膜等。

粉末状碳捕集材料通常由活性炭、活性氧化铝、沸石等组成，这些材料具有较大的比表面积和孔容，能够吸附大量的二氧化碳。

颗粒状碳捕集材料通常由分子筛、活性氧化铝、硅胶等组成，这些材料具有良好的孔结构，可以吸附二氧化碳并将其固定在材料的孔道中。

纤维状碳捕集材料通常由聚合物纤维、碳纤维等组成，这些材料具有较高的比表面积和孔容，能够吸附大量的二氧化碳。

薄膜状碳捕集材料通常由聚合物薄膜、无机陶瓷薄膜等组成，这些材料具有良好的透气性和选择性，能够有效地分离和捕集二氧化碳。

总的来说，碳捕集材料的形状取决于其应用场景和性能要求，不同形状的材料具有不同的优缺点。

在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的碳捕集材料。

碳载体类型
碳载体是一种广泛应用于催化剂、电化学和燃料电池等领域的材料。

常见的碳载体类型主要包括：
1. 活性炭：由于其丰富的孔道结构和良好的导电性，活性炭被广泛应用于电催化领域。

此外，改性活性炭、多空活性炭、活性碳纤维等也是常用的碳载体。

2. 炭黑：炭黑表面的含氧官能团含量通常比活性炭高出15%，这为催化剂金属纳米粒子的负载提供了大量的活性位点。

常见的炭黑类型包括乙炔黑、Vulcan XC-72和Ketjen黑等，它们具有不同的比表面积、导电性、稳定性和表面功能化差异。

3. 碳纳米管（CNTs）：具有优异的导电性和化学稳定性，被广泛应用于电化学和燃料电池领域。

4. 氮掺杂碳纳米管（N-doped CNTs）：通过氮元素的掺杂，增强了碳纳米管的电导率和化学稳定性，使其在电化学和燃料电池领域具有更广泛的应用前景。

5. 碳纳米纤维（CNFs）：碳纳米纤维也是一种具有优异性能的碳载体材料。

6. 多孔碳：多孔碳材料可以制备不同形状，如纤维状、颗粒状、蜂窝状等，而且活性组分易回收，成本低廉。

7. 石墨烯：石墨烯是一种二维的碳纳米材料，具有良好的导电性、高比表面积和优异的机械性能，也是一种有潜力的碳载体材料。

8. 氮掺杂石墨烯（N-doped Graphene）：通过氮元素的掺杂，可以进一步改善石墨烯的性能，如提高电导率和化学稳定性。

这些碳载体材料具有不同的物理化学性质和应用特点，可以根据具体的应用需求选择合适的碳载体类型。

不过，碳载体不耐高温，不能用于大量放热的反应或高温环境下使用。

因此，在选择碳载体时，需要综合考虑其性能、应用需求和反应条件等因素。

催化剂表面羟基类型
以下为部分常见的催化剂表面羟基的类型：
1.金属氧化物类催化剂：这类催化剂具有高活性和催化性能，可以通过吸附水分子形成表面羟基，如二氧化钛（TiO2）、氧化锆（ZrO2）和氧化铝（Al2O3）等。

2.过渡金属催化剂：这类催化剂的表面具有较高的活性，可以与水或氢气发生反应生成羟基，如铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）等。

3.支撑催化剂：这种催化剂是将活性金属颗粒负载在惰性或具有特殊性质的载体上的催化剂。

常见的载体材料包括氧化铝、硅胶和活性炭等。

这些载体表面往往具有一定数量的羟基，可以与活性金属颗粒相互作用，形成表面羟基。

4.费托卤素型催化剂：这类催化剂的表面具有很强的路易斯酸性，能够与水分子发生反应形成表面羟基，如氟化铝、氯化锌等。

5.碳材料催化剂：如活性炭、活性炭纤维等，这类催化剂表面具有丰富的官能团和孔道结构，能够吸附和催化分子反应，同时也具有较多的表面羟基。

请注意，不同类型的催化剂表面的羟基的形成方式和特性可能会有所不同。

如需更多信息，建议阅读催化相关论文或请教该领域的专家。

活性炭纤维的制备工艺研究一、前言活性炭纤维是一种新型的吸附材料，由于其特殊的结构与性能，能够有效地吸附有害气体和水中的有机物，因此成为了近年来研究的热点之一。

在各种制备工艺中，化学气相沉积法是相对成熟的技术之一，但在实际应用中，其制备周期长、成本高等问题限制了其广泛应用。

因此，本文将围绕活性炭纤维的制备工艺进行深入研究，通过对各种制备工艺的比较和分析，为活性炭纤维的工业化生产提供一定的参考。

二、活性炭纤维的特点活性炭纤维是一种具有高孔隙度、大比表面积、良好的吸附性能和多孔结构的吸附材料。

它的优点主要有以下几点：1.比表面积大：活性炭纤维由于其独特的结构，比表面积一般可达到500-3000m2/g，比传统活性炭的比表面积大出10倍以上，因此吸附性能更为出色。

2.吸附效率高：活性炭纤维由细微的纤维组成，使得其微孔多，孔径分布均匀，因此能够有效吸附液态、气态中的各种有机物等。

3.化学性质稳定：活性炭纤维的碳纤维是纯碳材料，其化学性质稳定，因此在各种不同环境下都可以有很好的应用性能。

三、活性炭纤维的制备方法活性炭纤维的制备方法有多种，根据不同的制备工艺，其孔径大小、比表面积等性质也会有所不同。

常见的制备方法有化学气相沉积法、煅烧纺丝法和激光烧结法等。

1.化学气相沉积法化学气相沉积法是目前比较成熟、研究较多的制备活性炭纤维的方法。

这种方法利用化学反应在碳纤维表面生成孔隙结构和吸附能力较好的碳材料。

基本步骤是将制备好的碳纤维放入反应器中，然后流入匀速气流和反应气体，通过控制温度、压力、反应时间、气体流量等参数，使反应体系发生化学反应，产生气体沉积在碳纤维表面，最终形成多孔的活性炭纤维。

2.煅烧纺丝法煅烧纺丝法是通过添加活性炭纤维前驱体到高分子聚合物中，在升高温度的情况下，高分子热降解，产生一定的孔隙结构和活性炭纤维。

煅烧过程中需要控制升温速度、煅烧温度、保温时间等参数，从而得到一定的孔隙度和比表面积。

3.激光烧结法激光烧结法是通过使用激光束烧结活性炭纤维前驱体，从而制备高性能、高孔隙度的活性炭纤维。

炭材料的应用炭材料是一种重要的工业原料，具有广泛的应用价值。

它不仅可以用于能源生产，还可以用于环境保护、材料制备、化学工业等多个领域。

在能源领域，炭材料被广泛应用于燃料、燃料添加剂、电极材料等方面。

在环境保护领域，炭材料可以用于废水处理、废气治理、土壤修复等方面。

在材料制备领域，炭材料可以用于制备活性炭、碳纤维、碳纳米管等材料。

在化学工业领域，炭材料可以用于催化剂、吸附剂、电化学材料等方面。

下面将分别介绍炭材料在这些领域的应用。

首先，在能源领域，炭材料被广泛应用于燃料。

炭材料具有高热值、低灰分、低硫分等优点，可以作为优质燃料使用。

同时，炭材料还可以用作燃料添加剂，能够改善燃料的燃烧性能，降低排放物的排放。

此外，炭材料还可以作为电极材料，用于锂离子电池、超级电容器等能源存储设备中。

其次，在环境保护领域，炭材料具有良好的吸附性能和催化性能，可以用于废水处理、废气治理和土壤修复。

炭材料可以吸附水中的有机物、重金属离子等污染物质，起到净化水质的作用。

同时，炭材料还可以用作废气的吸附剂，能够有效去除废气中的有害气体。

此外，炭材料还可以修复受污染的土壤，净化土壤环境。

再次，在材料制备领域，炭材料可以用于制备活性炭、碳纤维、碳纳米管等材料。

活性炭是一种具有大孔径、高比表面积的吸附材料，主要用于水处理、空气净化等领域。

碳纤维具有优异的力学性能和导电性能，可以用于制备复合材料、航空航天材料等。

碳纳米管具有优异的导电性能和热导率，可以用于制备导电材料、热导材料等。

最后，在化学工业领域，炭材料可以用作催化剂、吸附剂、电化学材料等。

炭材料具有丰富的孔结构和表面官能团，可以用于吸附分离、催化反应等。

同时，炭材料还可以用于制备电化学电极材料，如燃料电池电极、超级电容器电极等。

总之，炭材料具有广泛的应用前景，可以在能源、环境、材料、化工等多个领域发挥重要作用。

随着科技的不断进步和人们对可持续发展的需求，炭材料的应用前景将会更加广阔。

活性炭纤维（Activated Carbon Fibers ACF）活性炭纤维，亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。

它是有纤维状前驱体，经一定的程序碳化活化而成。

较高的技术含量和较高的产品附加值是其主要特征，可使吸附装置小型化，吸附层薄层化，吸附漏损小，效率高，节能经济，可以完成颗粒活性炭无法实现的工作，是任何其它类型的活性炭纤维无法比拟的，性能出类拔萃的活性吸附材料和环保工程材料。

结构活性炭纤维（ACF）是用天然纤维或人造有机化学纤维经过碳化制成。

主要成分是C 但也存在微量的杂质原子，包括O、H此外还有N、S等。

它们与C 结合形成相应的官能团，其中以含氧基团在活性炭纤维表面含量较为丰富。

碳原子主要以类似石墨微晶片、乳层堆叠的形式存在。

ACF另一引人注目的结构是具有发达的比表面积，丰富的微孔径。

一般活性炭纤维（ACF）的比表面积可达1500-2000m2/g，甚至更高；微孔体积90%左右，其微孔孔径为10A-40A。

活化机理活化剂有选择性地与非晶碳、晶格缺陷处和晶棱上的碳原子发生氧化反应，形成挥发性气体而使碳消耗，并向纵深处蚀刻，在炭纤维的表面处留下孔洞，从而增大了ACFs的表面积。

以水蒸气作为活化剂为例，可将炭纤维活化过程分为三个阶段：(1)氧化反应由炭纤维外表面逐渐扩展到内部，炭纤维表面氧化物和矿物等杂质上所吸附的水分子制约碳的氧化；(2)炭纤维原有的大孔结构的暴露，减轻水分子向炭纤维深部扩展，并保证化学反应在炭纤维全部体积中进行；(3)连通孔隙系统形成，使活化过程的速度受水蒸气向炭纤维孔隙内扩散速度的制约。

活化技术当前的活化技术主要分为两大类：物理活化和化学活化。

物理活化：又称气体活化法，在活化过程中不发生化学键的断裂和生成。

它是在炭纤维炭化后，再在600—1200o C高温下活化制得ACF。

使用的活化剂主要有水蒸气、二氧化碳、氧气等气体。

物理活化的优点在于使用的活化剂成本低，并且对环境的污染小，缺点在于它产生的活性炭纤维的得率低于化学活化的得率，并且制得的活性炭纤维的平均孔径比化学活化的大。