Reactivarea carbonului este un proces cheie care conferă materialelor carbonului proprietăți excelente de adsorbție și activitate de suprafață. Esența sa constă în reglarea microstructurii și a proprietăților chimice de suprafață ale matricei de carbon prin mijloace fizice sau chimice, realizând astfel proiectarea țintită a funcțiilor materialelor. În timpul procesului de reactivare a carbonului, primul pas este descompunerea termică și carbonizarea precursorului formând unități structurale de bază ale inelelor hexagonale de carbon care sunt aranjate aleatoriu. Aceste unități sunt interconectate prin forțele van der Waals și legăturile covalente pentru a forma cadrul inițial de carbon. În această etapă, materialul de carbon are de obicei o suprafață specifică scăzută și o structură cu pori închisi, necesitând dezvoltarea în continuare a spațiului său intern prin procesul de activare.
Activarea fizică folosește abur, dioxid de carbon sau aer ca agenți de activare. Sub un interval de temperatură de 800-1100 de grade , moleculele de agent de activare suferă reacții de oxidare cu atomii de carbon din cadrul de carbon. Acest efect de gravare selectivă apare de preferință la locurile active mai energice din structura carbonului, de exemplu defecte, legături nesaturate și așa mai departe. Pe măsură ce reacția de activare continuă, microporii formați inițial se extind strat cu strat prin gravarea pereților porilor, iar interconexiunea dintre microporii adiacenți formează mezopori, construind în cele din urmă o rețea de pori pe mai multe niveluri compusă din micropori, mezopori. Controlul precis al temperaturii și timpului de activare este crucial în acest proces: o temperatură prea scăzută va avea ca rezultat o rată lentă a reacției de activare și o dezvoltare incompletă a porilor; în timp ce o temperatură prea ridicată poate provoca arderea excesivă a scheletului de carbon, reducând rezistența mecanică și randamentul materialului.
Activarea chimică presupune introducerea de agenți chimici înainte sau în timpul carbonizării. Mecanismul său este mai complex decât activarea fizică și include efecte de deshidratare, catalitice și de gravare. În comparație cu activarea fizică, activarea chimică are avantajele unei temperaturi de activare mai scăzute și o eficiență mai mare a reacției, iar introducerea agenților modifică mediul chimic de suprafață al materialului carbonic - de exemplu, activarea acidului fosforic poate reține mai mult oxigen-conținând grupe funcționale, în timp ce activarea hidroxidului de potasiu tinde să formeze suprafețe al{4}} bogate în electroni.
Modificarea suprafeței în timpul procesului de reactivare a carbonului este un alt aspect important pentru îmbunătățirea proprietăților specifice ale materialului. În mediul cu temperatură ridicată al reacției de activare, suprafața materialului de carbon suferă reacții chimice cu agentul de activare și gazele impurități din atmosferă, formând oxigen-conținând grupe funcționale de exemplu hidroxil, carboxil și așa mai departe, precum și o cantitate mică de grupări de azot și sulf. Tipurile și cantitățile acestor grupe funcționale afectează în mod direct umecbilitatea suprafeței, performanța electrochimică și selectivitatea de adsorbție a materialului de carbon -, de exemplu, introducerea grupărilor carboxil poate îmbunătăți semnificativ capacitatea de chelare a materialului pentru cationii de metale grele, în timp ce prezența azotului de tip piridină-îi poate îmbunătăți activitatea catalitică în reacțiile de reducere a oxigenului. În plus, defectele de suprafață (cum ar fi locurile libere simple, vacante duble și defecte topologice) generate în timpul procesului de activare oferă locuri active abundente pentru material, demonstrând avantaje unice în stocarea energiei, conversia catalitică și alte domenii.
De la mecanismul microscopic la performanța macroscopică, dezvoltarea tehnologiei de reactivare a carbonului s-a bazat întotdeauna pe legea de corelare a aplicației „structură - performanță -”. Prin aplicarea tehnicilor avansate de caracterizare, cum ar fi radiația sincrotron și microscopia electronică corectată-aberația, cercetătorii au dobândit o înțelegere mai profundă a procesului dinamic de evoluție a porilor și a mecanismului de formare a grupurilor funcționale de suprafață în timpul procesului de activare, oferind îndrumări teoretice pentru controlul precis al microstructurii materialelor de carbon. În viitor, prin simulare pe mai multe-scale și proiectare experimentală inteligentă, tehnologia de reactivare a carbonului se va dezvolta într-o direcție mai ecologică și personalizată, extinzându-și în continuare limitele aplicațiilor în guvernanța mediului, energie nouă și producție-de vârf.