武汉大学李教授团队：竹源疏水性多孔石墨化碳的制备及其对VOCs吸附性能研究

挥发性有机化合物（VOCs）是大气污染的重要来源之一，其控制与治理已成为环境科学与工程领域的研究热点。在众多VOCs治理技术中，吸附法因其成本低、操作简便、能耗低等优势备受关注。然而，传统生物质活性炭（BAC）在潮湿环境下因表面含氧官能团的存在，易与水分子发生竞争吸附，导致其对非极性VOCs的吸附性能显著下降。因此，开发具有高疏水性和优异孔结构的新型碳材料，成为提升VOCs吸附性能的关键。

近期，一项发表于《Chemical Engineering Journal》（影响因子：16.744）的研究提出了一种以竹材为原料，通过镍催化石墨化结合KOH活化制备疏水性多孔石墨化碳（BPGC）的新方法。该研究系统评估了材料对甲苯、环己烷和乙醇等典型VOCs的吸附性能，并结合密度泛函理论（DFT）计算揭示了其吸附机制。

研究团队以竹材为前驱体，通过两步法制备BPGC：首先在400℃下热解制备竹炭（BC），随后以NiCl₂为催化剂前驱体，在不同温度下进行催化石墨化处理，最终经KOH活化和酸洗得到目标产物（BPGC-n，n为NiCl₂分解温度）。通过调控NiCl₂分解温度，优化材料的石墨化程度与孔结构。

论文创新点：

1. 材料设计创新： 提出了一种以廉价、易得的NiCl₂为催化剂前驱体，结合KOH活化，将竹基生物炭直接转化为具有高比表面积和优异疏水性的多孔石墨化碳的合成策略。该方-法优化了催化剂在碳前驱体上的稳定条件，实现了对材料孔结构和表面性质的有效调控。

2.结构特性与性能优势： 成功制备出兼具高比表面积、发达介孔体积和低表面氧含量的碳材料。这种独特的微孔-介孔结构与高石墨化程度、高疏水性的协同作用，使其在潮湿环境中对非极性VOCs保持了高吸附容量和选择性，同时发现介孔内毛细凝聚水对极性VOCs（乙醇）的协同吸附效应。

3.机理研究的深度： 综合运用动态吸附实验、二元竞争吸附和理想吸附溶液理论预测，定量评估了材料的吸附性能与选择性。进一步通过密度泛函理论计算，从原子和电子层面明确了不同碳结构（完美石墨面与含氧缺陷位点）对极性、非极性VOCs及水分子的吸附作用机制，清晰地解释了BPGC材料高选择性和疏水性的微观本质。

4.应用潜力明确： 不仅关注材料的吸附性能，还验证了其在实际应用中的关键指标，如在90°C下的高效热脱附再生能力和循环稳定性，为这种生物质衍生石墨化碳在VOCs污染控制与资源回收领域的潜在应用提供了实验依据。

【孔径结构表征】

材料的结构表征显示，BPGC-500具有最优的微观结构与表面性质。其XRD图谱显示典型的石墨化特征，层间距（d₀₀₂）为0.3403 nm，接近理想石墨的0.3354 nm。TEM图像中可见清晰的石墨晶格条纹，表明其高度有序的碳层结构。此外，BPGC-500的比表面积高达2181 m²/g，孔体积为1.28 cm³/g，其中介孔体积占比达48.4%，形成了丰富的微孔-介孔复合结构。

表1.样品碳材料的性质

材料比表面积与孔径分布的精确表征是评价其吸附性能的基础。本研究采用氮气吸附-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，BAC以微孔为主，而BPGCs则表现出明显的微孔-介孔复合特征，介孔分布范围更广，峰值集中在1 nm附近。

图1.样品碳材料的NLDFT 孔径分布

在干燥条件下，BPGC-500对甲苯、环己烷和乙醇的吸附容量分别为6.7 mmol/g、3.8 mmol/g和2.4 mmol/g。在80%相对湿度条件下，其对甲苯和环己烷的吸附容量仍保持干燥条件下的82%和66%，而对乙醇的吸附量甚至提升了33%。这一现象归因于BPGC的高疏水性与介孔中毛细凝聚水的“溶剂效应”。

表2.不同条件下的VOCs吸附容量

DFT计算进一步揭示了吸附机制：完美石墨结构（图2）通过π-π相互作用和强色散力优先吸附非极性分子（如甲苯），而含氧官能团（如-COOH、-OH）则通过氢键增强对极性分子（如乙醇、水）的吸附。BPGC表面低O/C比（0.038）有效抑制了水分子竞争，提升了非极性VOCs的选择性。

图2.完美石墨结构

在二元吸附实验中，BPGC-500对甲苯/乙醇体系表现出高达198:1的吸附选择性，远高于BAC的2:1，显示出其在混合VOCs分离中的潜力。

【国仪量子SiCOPE40比表面积及孔径分析仪】

BPGC材料在VOCs吸附与分离、催化载体、电池电极等领域具有广阔应用前景。特别是在吸附分离行业，如活性炭、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）等多孔材料的研发中，对其微孔-介孔结构的精准表征至关重要。

VOCs吸附材料研发适用于SICOPE 40微孔分析仪测试。该仪器具备高精度气体控制和多种NLDFT模型，能够准确评估材料的比表面积、孔径分布与孔体积，为优化材料结构提供数据支持。其原位脱气与异位处理功能，尤其适用于空气敏感样品，确保测试过程的高重复性与可靠性。在环保与能源材料领域，SICOPE 40为多孔碳、MOFs等材料的性能优化与产业化应用提供了强有力的技术支撑。

本研究通过竹源催化石墨化成功制备出具有高比表面积、优异疏水性和良好介孔结构的BPGC材料，其在潮湿环境下对非极性VOCs的高吸附容量与选择性，显示出在实际工业废气处理中的潜力。结合高精度的微孔分析技术，如SICOPE 40系列仪器，可为多孔材料的研发与性能评估提供可靠的数据基础，推动VOCs吸附材料向高效、绿色、可持续方向不断发展。

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。

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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。

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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。