Koolstofreactivering is een sleutelproces dat koolstofmaterialen uitstekende adsorptie-eigenschappen en oppervlakteactiviteit geeft. De essentie ervan ligt in het reguleren van de microstructuur en chemische oppervlakte-eigenschappen van de koolstofmatrix via fysische of chemische middelen, waardoor het gerichte ontwerp van materiaalfuncties wordt bereikt. Tijdens het koolstofreactivatieproces is de eerste stap de thermische ontleding en carbonisatie van de voorloper, waarbij structurele basiseenheden worden gevormd van zeshoekige koolstofringen die willekeurig zijn gerangschikt. Deze eenheden zijn met elkaar verbonden via van der Waals-krachten en covalente bindingen om het initiële koolstofraamwerk te vormen. In dit stadium heeft het koolstofmateriaal doorgaans een laag specifiek oppervlak en een gesloten poriënstructuur, waardoor verdere ontwikkeling van de interne ruimte door het activeringsproces vereist is.
Fysieke activering maakt gebruik van stoom, kooldioxide of lucht als activeringsmiddelen. Onder een temperatuurbereik van 800-1100 graden ondergaan de moleculen van het activeringsmiddel oxidatiereacties met de koolstofatomen in het koolstofraamwerk. Dit selectieve etseffect treedt bij voorkeur op op de meer energetische actieve plaatsen in de koolstofstructuur, bijvoorbeeld defecten, onverzadigde bindingen, enzovoort. Naarmate de activeringsreactie voortduurt, breiden de aanvankelijk gevormde microporiën laag voor laag uit door het etsen van de poriewanden, en de onderlinge verbinding tussen aangrenzende microporiën vormt mesoporiën, waardoor uiteindelijk een poriënnetwerk met meerdere niveaus wordt opgebouwd dat is samengesteld uit microporiën, mesoporiën. De nauwkeurige controle van de activeringstemperatuur en -tijd is cruciaal in dit proces: een te lage temperatuur zal resulteren in een langzame activeringsreactiesnelheid en onvolledige porieontwikkeling; terwijl een te hoge temperatuur overmatige verbranding van het koolstofskelet kan veroorzaken, waardoor de mechanische sterkte en de opbrengst van het materiaal afnemen.
Chemische activering omvat het introduceren van chemische middelen vóór of tijdens de carbonisatie. Het mechanisme ervan is complexer dan fysieke activering en omvat uitdroging, katalytische en etsende effecten. Vergeleken met fysieke activering heeft chemische activering de voordelen van een lagere activeringstemperatuur en een hogere reactie-efficiëntie, en de introductie van de middelen verandert de chemische oppervlakteomgeving van het koolstofmateriaal - fosforzuuractivering kan bijvoorbeeld meer zuurstof-bevattende functionele groepen vasthouden, terwijl activering van kaliumhydroxide de neiging heeft om elektronen-rijke alkalische oppervlakken te vormen.
De oppervlaktemodificatie tijdens het koolstofreactivatieproces is een ander belangrijk aspect voor het verbeteren van de specifieke eigenschappen van het materiaal. In de omgeving met hoge- temperaturen van de activeringsreactie ondergaat het oppervlak van het koolstofmateriaal chemische reacties met het activeringsmiddel en onzuiverheidsgassen in de atmosfeer, waarbij zuurstof-wordt gevormd die functionele groepen bevat, bijvoorbeeld hydroxyl, carboxyl, enzovoort, evenals een kleine hoeveelheid stikstof- en zwavelgroepen. De typen en hoeveelheden van deze functionele groepen hebben een directe invloed op de bevochtigbaarheid van het oppervlak, de elektrochemische prestaties en de adsorptieselectiviteit van het koolstofmateriaal. - De introductie van carboxylgroepen kan bijvoorbeeld het chelatievermogen van het materiaal voor kationen van zware metalen aanzienlijk verbeteren, terwijl de aanwezigheid van stikstof van het type pyridine- de katalytische activiteit ervan bij zuurstofreductiereacties kan verbeteren. Bovendien bieden de oppervlaktedefecten (zoals enkele vacatures, dubbele vacatures en topologische defecten) die tijdens het activeringsproces worden gegenereerd, overvloedige actieve locaties voor het materiaal, wat unieke voordelen aantoont op het gebied van energieopslag, katalytische conversie en andere velden.
Van het microscopische mechanisme tot de macroscopische prestaties: de ontwikkeling van koolstofreactiveringstechnologie is altijd gebaseerd geweest op de correlatiewet van "structuur - prestatie - toepassing". Met de toepassing van geavanceerde karakteriseringstechnieken zoals synchrotronstraling en aberratie-gecorrigeerde elektronenmicroscopie hebben onderzoekers een dieper inzicht gekregen in het dynamische proces van porie-evolutie en het vormingsmechanisme van functionele oppervlaktegroepen tijdens het activeringsproces, wat theoretische richtlijnen biedt voor het nauwkeurig controleren van de microstructuur van koolstofmaterialen. In de toekomst zal de technologie voor koolstofreactivatie zich, door middel van simulatie op meerdere-schalen en intelligent experimenteel ontwerp, ontwikkelen in de richting van een groenere en op maat gemaakte richting, waarbij de toepassingsgrenzen op het gebied van milieubeheer, nieuwe energie en hoogwaardige productie verder worden verlegd.