1.3 多孔碳材料在二氧化碳吸附方面的研究现状

多孔碳在现代技术应用中是不可或缺的。用于储能，气体分离，水净化，催化剂载体和色谱。其应用的多样性源于其独特的性能，包括高比表面积，可调孔体积和化学稳定性。具体地说，大的表面积为双电层电容器提供高电容，以及用于金属空气电池，燃料电池和水分解中的其它催化剂的化学反应和结合衬底的催化位置。可调孔径与高表面积同等重要。微孔总是高表面积的先决条件，并且显着影响电容性能中的溶剂化离子。介质和大孔是质量传递所必需的，这是药物递送，气体分离和电容器和燃料电池中的离子扩散中最主要的过程。碳晶体结构总是决定化学稳定性。一般来说，石墨酸或石墨烯越多，碳的化学稳定性越好。相反，无定形碳的结构易于在高电位或苛刻的化学环境（如强酸或碱）下受损。多孔碳可以通过无机模板填充，聚合物碳化或催化活化来合成;然而，这些方法受到高成本，繁琐的制备过程和低产率的限制，这进一步限制了它们的实际应用。

但另一方面，多孔碳材料由于其比表面积大（吸附量更大），孔结构发达，表面易改性，制备简单以及成本低廉等优点，是一种非常优秀的吸附剂材料，其中包括活性碳、碳纤维、碳纳米管、其它碳材料等。在此基础上，对如何提高多孔碳材料二氧化碳捕获能力的研究，已经花了大量精力。通过二氧化碳的电热还原合成多孔碳具有与广泛使用的无机模板方法非常相似的设计原理。然而，CO2的氧化还原还原具有以下优点：（1）模板MgO与多孔碳同时形成，因此不需要模板制备; （2）MgO模板可以很容易地被HCl除去而不使用高度腐蚀性和危险的HF; （3）与无机模板过程中昂贵且繁琐的聚合物合成相比，碳源CO 2几乎是免费的。此外，进一步的研究拓宽了这种新的合成方法：添加Zn以将表面积从约800m 2 / g增加到1900m 2 / g，加入Cu以增加石墨和石墨烯特征，加入N 2以实现N-掺杂。

 多孔碳的应用包括双电层电容器，Li-O 2电池，微生物燃料电池和钾离子电池。对于双电层电容器，即使在10 A / g的高电流密度或2000 mV / s的高扫描速率下，表面积高达1900m²/ g的多孔碳也表现出190 F / g的高电容。如果Li-O 2电池从5300mAh / g增加到9600mAh / g，则N掺杂多孔碳不仅增加了容量，而且降低了充电过程中的超电势，导致循环寿命更加稳定。由于二氧化碳是高度四极和弱酸性的事实，研究人员想要引入氮官能团以提高二氧化碳的吸附能力（即氮掺杂）.根据元素的位置，氮掺杂可分为两种分类，即表面和结构氮掺杂。通过碱浸渍或接枝氨基官能团方法进行表面氮掺杂;结构氮掺杂通过将含氮前体碳化成碳骨架进行。与表面氮掺杂相比，氮掺杂结构更加稳定，已被广泛研究.同时，研究人员也致力于使用各种各样的氮掺杂。多孔碳中局部结晶度的提高使得微生物燃料电池的电化学性能得到改善，这对微生物燃料电池的催化剂设计具有指导意义。多孔碳的局部曲率提供了用于生长多晶硅石墨的外延模板，与石墨相比，其表现出改善的循环寿命。文献综述

1.3.1 活性碳

活性炭是通过椰子的外壳，花生的外壳，稻子壳，锯屑，优质的煤矿或其他类型有机物质的高温碳化，或者是由活化等方式得到的一种多孔碳材料[3.4]。活性炭具有几个特点，包括比表面积相对较大，孔隙的结构比较发达，并且它的化学性质很稳定。之所以叫做化学修饰的表面，是因为能够在各种种类不同的官能团的后面被引入，亦或者改变它的孔结构，之后在改变这些被引入官能团的结构之后，提高他们对CO2吸附性能[5-7]。 Olivares-Marin和Maroto-Valer [8]通过使用羊毛，尼龙，聚丙烯织物和聚乙烯等羊毛生产废料的两步法，通过氧化钾的活化，来生产制造微孔活性炭。Zhi-juan Zhang[9]等学者利用氨水、氮气和氧气对活性碳的表面改性进行了改变，利用该方法在充氮的情况下进行改性的样品吸附量在25°C下比未改性样品高出28％。Guang-pingHao[10]等人在通过利用间苯二酚和甲醛这些化学原料，作为原料的时候氮源为L-赖氨酸，利用酚醛树脂的聚合作为前体，然后将所得酚醛树脂，使其被高温以及碳酸化后，最终将氮气，利用此种方法掺杂多孔后，通过表征的方式，利用所获得的材料来表征前一步骤中所获得的碳材料。他们在完成这些后发现，碳材料表面在含氮官能团被成功的引入后，含氮官能团对二氧化碳吸附能力的贡献率分别为40％和60％。