Особенности пористой структуры углеродных материалов с развитой поверхностью

Приведен общий обзор способов получения и областей применения углеродных материалов с большой удельной поверхностью. В качестве объектов для исследования были взяты следующие материалы: гранулированный активированный уголь марки СК-АГ-3 (производства ОАО «Сорбенты Кузбасса»); активированное целлюлозное волокно (Красноярский завод химических волокон), прошедшее карбонизацию и графитацию, подвергнутое газофазной активации при температуре 900 °С в токе диоксида углерода; ткань углеродная марки «Бусофит-Т» (ОАО «СветлогорскХимволокно»); терморасширенный фторированный графит (ОАО «Сибирский химический комбинат»). Проведены исследования пористой структуры этих материалов волюмометрическим методом низкотемпературной адсорбции азота на приборе ASAP 2020. Изотермы адсорбции–десорбции азота фиксировали в интервале относительных давлений p/p₀ = 0,05÷1,0 при температуре 77 К. Величину удельной поверхности оценивали методом БЭТ исходя из изотермы адсорбции при p/p0 = 0,05÷0,30. Для активированного угля, активированных углеродных волокон, ткани «Бусофит-Т» и терморасширенного графита удельная поверхность составила соответственно 485, 1241, 1156 и 290,5 м²/г. Объем мезопор и их распределение по размерам рассчитывали по методу Баррета, Джойнера и Халенды (BJH) в интервале давлений p/p₀ = 0,35÷0,95, а объем микропор и их распределение по размерам – методом Хорвата–Кавазое по изотерме адсорбции–десорбции азота в диапазоне p/p₀ = 0,00÷0,01. Данными методами также определен средний диаметр мезопор и микропор. Проведен сравнительный анализ полученных результатов. Прослежена связь между внутренним строением исследованных материалов и характеристиками пористой структуры. Показано, что активированные уголь, волокна и углеродная ткань являются микропористыми материалами, а терморасширенный графит обладает мезопористой структурой.

1. Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск: ИК СО РАН, 1995. Fenelonov V.B. The porous carbon. Novosibirsk: IK SO RAN, 1995 (In Russ.).

2. Phan N.H., Rio S., Faur C., Coq L.L., Cloirec P.L., Nguyen T.H. Production of fibrous activated carbons from natural (jute, coconut) fibers for water treatment applications. Carbon. 2006. Vol. 44. P. 2569—2577. DOI: 10.1016/j.carbon.2006.05.048.

3. Фридман Л.И. Углеволокнистые адсорбенты, теоретические основы получения. Хим. волокна. 2010. No. 5. С. 30—32. Fridman L.I. Carbon fiber adsorbents, theoretical bases of reception. Khimicheskie volokna. 2010. No. 5. P. 30—32 (In Russ.).

4. Кузнецов Б.Х. Синтез и применение углеродных сорбентов. М.: Химия, 1999. Kuznetsov B.H. Synthesis and use of carbon adsorbents. Moscow. Khimiya, 1999 (In Russ.).

5. Золкин П.И., Островский В.С. Углеродные материалы в медицине. М.: Металлургиздат, 2014. Zolkin P.I., Ostrovskii V.S. Carbon materials in medicine. Moscow: Metallurgizdat, 2014 (In Russ.).

6. Афанасов И.М., Шорникова О.Н., Власов И.И., Коган Е.В. Пористые углеродные материалы на основе терморасширенного графита. Вестн. ДВО РАН. 2009. No. 2. С. 171—175. Afanasov I.M, Shornikova O.N., Vlasov I.I., Kogan E.V. Porous carbon materials based on thermally expanded graphite. Vestnik DVO RAN. 2009. Vol. 2. Р. 171—175 (In Russ.).

7. Мухин В.М., Уганов П.В. Получение активированного угля на основе антрацита. Исследование его пористости и адсорбционных свойств. Успехи в химии и хим. технологии. 2013. No. 5. С. 35—42. Mukhin V.M., Uganov P.V. Getting activated carbon based on anthracite. Investigation of its porosity and adsorption properties. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2013. Vol. 5. P. 35—42 (In Russ.).

8. Чеснокова Н.В., Миковаб Н.М., Иванов И.П., Кузнецова Б.Н. Получение углеродных сорбентов химической модификацией ископаемых углей и растительной биомассы. Журн. Сиб. федер. ун-та. Химия. 2014. No. 7. С. 42—53. Chesnokova N.V., Mikovab N.M., Ivanov I.P., Kuznetsova B.N. Obtaining carbon sorbents by chemical modification of fossil coals and plant biomass. Zhurnal Sibirskogo Federal’nogo Universiteta. Khimiya. 2014. Vol. 7. P. 42—53 (In Russ.).

9. Олонцев В.Ф., Фарберова Е.А., Минькова А.Л., Генералова К.Н., Белоусов К.С. Оптимизация пористой структуры активированных углей в процессе технологии производства. Вестн. ПНИПУ. 2015. No. 4. С. 9—20. Olontsev V.F., Farberova E.F., Min’kova A.L., Generalova K.N., Belousov R.S. Optimisation of porous structure of absorbent carbon in the of technological production. Vestnik PNIPU. 2015. Vol. 4. P. 9—20 (In Russ.).

10. Горина В.А., Чеблакова Е.Г., Золкин П.И. Влияние режимов термической обработки на удельную поверхность и пористую структуру углеродных волокон на основе вискозы. Порошковая металлургия. 2012. No. 4. С. 62—65. Gorina V.A., Cheblakova E.G., Zolkin P.I. Effect of heat treatment on the specific surface area and pore structure of the carbon fibers based on viscose. Poroshkovaya metallurgiya. 2012. No. 4. P. 62—65 (In Russ.).

11. Beck N.V., Meech S.E., Norman P.R., Pears L.A. Characterisation of surface oxides on carbon and their influence on dynamic adsorbtion. Carbon. 2002. Vol. 40. P. 531— 540.

12. Celzard A., Mareche J.F., Furdin G. Modelling of exfoliated graphite. Progr. Mater. Sci. 2005. Vol. 50. No. 1. P. 93— 179.

13. Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.H. The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. J. Amer. Chem. Soc. 1951. Vol. 73. No. 1. Р. 373—380.

14. Horvath G., Kawazoe K. Method for the calculation of effective pore size distribution in molecular sieve carbon. J. Chem. Eng. Jpn. 1983. No. 16. P. 470—475. https://doi.org/10.1252/jcej.16.470.

15. Грэг С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. Greg S., Sing K. Adsorption, surface area and porosity. Moscow: Mir, 1984 (In Russ.).

16. Thommes M., Kaneko K., Neimark A., Olivier J., Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015. Vol. 87. Р. 1051—1070.

17. Дубинин М.М. Адсорбция и пористость. В сб.: Современные проблемы теории адсорбции. М.: Наука, 1995. С. 34—42. Dubinin M.M. Adsorption and porosity. In: Modern problems of the theory of adsorption. Moscow: Nauka, 1995. P. 34—42 (In Russ.).

18. Everett D.H. Manual of symbols and terminology for physicochemical quantities and units. Appendix II: Definitions, terminology and symbols in colloid and surface chemistry. Part 1. Colloid and surface chemistry. Pure. Appl. Chem. 1972. Vol. 31. P. 577—638.

19. Cychosz K.A., Guillet-Nicolas R., Gracía-Martínez J., Thommes M. Recent advances in the textural characterization of hierarchically structured nanoporous materials. Chem. Soc. Rev. 2000. Vol. 46. P. 389—414.

20. Темирханов Б.А., Султыгова З.Х., Саламов А.Х., Нальгиева А.М. Новые углеродные материалы для ликвидации разливов нефти. Фундам. исследования. 2012. No. 6 (ч. 2). С. 471—475. Temirkhanov B.A., Sultygova Z.Kh., Salamov A.Kh., Nalgieva A.M. New carbon materials for oil spill response. Fundamental’nye issledovaniya. 2012. No. 6 (part 2). Р. 471—475 (In Russ.).

21. Phadungbut P., Herrera L.F., Do D.D., Tangsathitkulchai C., Nicholson D., Junpirom S. Computational methodology for determining textural properties of simulated porous carbons. Colloid Interface Sci. 2017. Vol. 503. P. 28—38.

22. Hakan Demiral, İlknur Demiral, Fatma Tümsek, Belgin Karabacakoğlu. Pore structure of activated carbon prepared from hazelnut bagasse by chemical activation. 2008. 04 February. https://doi.org/10.1002/sia.2631. Cited by: 29 ePDFPDFTOOLS SHARE.

23. Ho C., Qian K.K., Bismarck H.A. Carbon fiber: Surface properties. In: Wiley Encyclopedia of Composites. 2011. P. 1—11.

24. Goodhew P.J., Clarke A.J., Bailey J.E. Review of fabrication and properties of carbon-fibers. Mater. Sci. Eng. 1975. Vol. 17. P. 3—30.

25. Martinez-Alonzo A. Microporous texture of activated carbon fibers prepared from aramid fiber pulp. Microporous Mater. 1997. No. 11. P. 303—311.

26. Uraki Y., Nakatani A., Kubo S., Sano Y. Preparation of activated carbon fibers with large specific surface area from softwood acetic acid lignin. J. Wood. Sci. 2001. Vol. 47. P. 465—469. DOI: 10.1007/BF00767899.

27. Shibagaki K., Motojima S., Umemoto Y., Nishitanib Y. Outermost surface microstructure of as-grown, heattreated and partially oxidized carbon microcoils. Carbon. 2001. Vol. 39. P. 1337—1342.

28. Ханов А.М., Макарова Л.Е., Дегтярев А.И., Караваев Д.М., Смирнов Д.В., Исаев О.Ю. Особенности строения терморасширенного графита. Неорган. материалы. 2014. Т. 50. No. 4. C. 372—376 Khanov A.M., Makarova L.E., Degtyarev A.I., Karavaev D.M., Smirnov D.V., Isaev O.Yu. Features of the structure of thermally expanded graphite. Neorganicheskie materially. 2014. Vol. 50. No. 4. P. 372—376 (In Russ.).