武汉大学李教授团队：微孔-介孔石墨化碳纤维：高湿度下VOCs吸附的新突破与精准表征技术综述

近年来，挥发性有机化合物（VOCs）对大气环境及人体健康的危害日益受到关注。在众多VOCs控制技术中，吸附法因其操作简便、能耗低、效率高而被广泛应用。然而，传统吸附材料如活性炭纤维（ACF）在高湿度环境下吸附性能显著下降，限制了其实际应用。

针对这一问题，武汉大学等单位联合研究团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为《Micro-mesoporous graphitized carbon fiber as hydrophobic adsorbent that removes volatile organic compounds from air》的研究，提出了一种具有优异疏水性和高比表面积的多孔石墨化碳纤维（PGCF），在干燥及高湿条件下均表现出卓越的VOCs吸附性能。

该研究以粘胶基活性炭纤维（VACF）为前驱体，通过KOH促进的催化石墨化方法，成功制备了具有微孔-介孔复合结构的PGCF材料。该材料具有高达2200 m²/g以上的比表面积，孔体积中约半数为介孔，表面O/C原子比显著降低，疏水性增强。在动态吸附实验中，PGCF对甲苯、环己烷和乙醇的吸附容量分别达到7.2、4.6和2.0 mmol/g。特别值得注意的是，在80%相对湿度下，其对甲苯和环己烷的吸附保持率分别高达92%与85%，而对乙醇的吸附量甚至提升了54%。研究还发现，PGCF在低温（80°C）下即可实现甲苯的高效脱附与材料再生。

本研究的创新点主要体现在以下几个方面：

1. 材料结构设计：通过催化石墨化与KOH活化相结合，构建了兼具高比表面积与分级孔结构的PGCF，优化了VOCs的吸附与扩散路径。

2. 疏水性能提升：石墨化过程减少了表面含氧官能团，显著提高了材料在高湿环境下的VOCs选择性吸附能力。

3. 吸附机理深化：系统阐明了π-π相互作用、分散力及毛细管凝结水对极性/非极性VOCs吸附的协同作用机制。

4. 再生性能优越：纤维状结构促进了吸附质扩散，实现了低温高效再生，降低了能耗与操作成本。

   【孔径结构表征】

论文中对PGCF材料的比表面积与孔径分布进行了系统表征，主要采用氮气吸附-脱附等温线测试，结合非局部密度泛函理论（NLDFT）模型进行孔径分析。测试结果显示，VACF的比表面积为1304 m²/g，而PGCF-2和PGCF-4分别提升至2601 m²/g与2299 m²/g。孔结构分析表明，PGCF材料具有明显的微孔与介孔复合特征，其中介孔体积占比超过50%，显著优于以微孔为主的VACF。

表1. 样品材料的性质

图2. 25℃水蒸气吸附等温线

【国仪量子SiCOPE40比表面积及孔径分析仪】

PGCF材料在VOCs吸附领域的优异表现，展示了其在环保、催化、电池等多个领域的应用潜力。特别是在吸附分离行业中，如活性炭、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）等多孔材料的开发，亟需高精度的孔结构表征手段。SICOPE40微孔分析仪凭借其高稳定性、多模型支持与优异的微孔分辨能力，完美适用于该类材料的系统研究。其在0.35–2 nm微孔范围内的精准测试能力，可为材料设计者提供关键的孔结构参数，助力优化吸附性能与选择性，推动高性能吸附材料的研发与应用。

SICOPE40微孔分析仪具备高精度气体控制系统，支持N₂、Ar、CO₂等多种吸附质，可在0.35–500 nm范围内实现孔径精准分析。其内置不少于40种NLDFT模型，能够对微孔-介孔材料进行高分辨率孔径分布计算，与论文中采用的NLDFT方法完全对应。此外，SICOPE40的比表面积重复精度≤1%，最可几孔径重复偏差≤0.02 nm，确保了材料表征数据的可靠性与重复性，非常适用于如PGCF这类具有复杂孔结构的新型吸附材料的系统研究。

多孔石墨化碳纤维作为一种新型疏水吸附材料，在高湿度环境下对VOCs的吸附性能表现出显著优势，其结构设计与性能调控为未来吸附材料开发提供了新思路。而在材料表征层面，如SICOPE40微孔分析仪之类的高精度设备，为实现材料孔结构的精准解析与性能关联研究提供了强有力的技术支撑。随着多孔材料在能源、环境、催化等领域的应用不断拓展，高分辨率的孔结构分析将成为材料研发中不可或缺的一环

国仪量子SiCOPE40 比表面积及孔径分析仪

产品特点

l 精准控气 效能提升

采用高精度比例阀与电磁阀联动控制技术，确保目标压力点的快速精准控制，大幅提升仪器运行效率，控气精度达±0.5 mmHg。

l 精准控漏 精度领航

创新性自研自锁阀、电磁阀等核心部件，技术自主可控，极低漏率为低压微孔段测试提供高精度保障。

l 模型精铸 洞见非凡

软件内置算法集成BET、Langmuir、HK等常用分析模型及不少于40种NLDFT模型；BET一键智能选点，解决微孔材料BET段前移的选点问题，消除不同人员处理数据的偏差。

l 无尘精装 稳定保障

核心模块在ISO Class 7万级洁净间（电镜级装配标准）完成全密封组装，相较传统装配环境洁净度提升两个数量级，确保气路系统的可靠性和稳定性。

l 自动后标 零氦测试

采用He-Free自由空间后置标定方案，从源头消除氦气残留对测试的干扰，为超微孔材料精准分析提供可靠方案。

l 灵活脱气 转移无忧

支持原位与异位两种脱气方式，提供空气隔离塞或真空隔离塞，保障微孔样品从脱气站转移至分析站过程零污染。

l 人性设计 省力高效

垂直上推式防护门操作便捷、节省空间；杜瓦瓶设计符合人体工学，方便拿取；设备底座内嵌进度灯条实时反馈测试进度。