Rapid preparation of porous carbon by Flash Joule heating from bituminous coal and its adsorption mechanism of methylene blue

基于闪蒸焦耳加热从烟煤快速制备多孔碳及其对亚甲基蓝的吸附机理

论文亮点

• 使用闪蒸焦耳加热（FJH）方法在少于1秒内快速制备多孔碳，无需化学处理，环保高效。
• 制备的多孔碳具有高比表面积（最高601.95 m²/g）和优异吸附性能，对亚甲基蓝的吸附容量达292.17 mg/g。

研究背景

• 煤是一种廉价的碳源，但传统多孔碳制备方法（如高温碳化和活化）复杂、能耗高、污染大，限制大规模生产。
• 多孔碳广泛用于吸附剂，但现有方法需要长时间加热和化学处理，效率低。
• 闪蒸焦耳加热（FJH）是一种新型快速加热技术，可在瞬间产生高温，有望实现高效、环保的碳材料制备。

研究方法

材料准备: 使用三种不同变质程度的烟煤样品（朔州SZ、古交GJ、长治CZ），通过浮沉实验制备超低灰分煤样（灰分约3%）。

FJH实验: 将煤样与炭黑和活化剂K₂CO₃按质量比1:1:3混合，放入石英管中，在80V电压下进行闪蒸焦耳加热，反应时间少于1秒。

模拟分析: 使用COMSOL软件模拟FJH过程的温度变化，验证实验可行性。

结构表征: 使用FE-SEM、BET、Raman、XRD、XPS等技术分析多孔碳的微观结构、比表面积、孔结构、晶体结构和表面官能团。

吸附实验: 将50mg多孔碳加入200mL的100mg/L亚甲基蓝（MB）溶液中，在25°C下振荡吸附，使用紫外分光光度计测量吸附后的MB浓度，计算吸附容量和动力学。

主要结论

• FJH方法成功快速制备了多孔碳，比表面积最高达601.95 m²/g（PC-SZ），且过程环保、能耗低。
• 煤的变质程度影响多孔碳性质：低变质煤（如SZ）制备的多孔碳具有更多孔隙、缺陷和含氧官能团，吸附性能更好。
• PC-SZ对亚甲基蓝的吸附容量最高（292.17 mg/g），吸附过程符合伪二级动力学模型，以化学吸附为主。

图片内容与分析结果

图1: 闪蒸焦耳加热装置示意图

图1显示了FJH实验装置的示意图，包括控制模块、工件模块、储能模块、样品台和计算机。样品置于石英管中，通过电容放电瞬间加热。

分析结果: 该装置实现了快速、可控的加热，确保了实验的重复性和有效性。

图2: FJH过程的温度与能量分析

图2(a)显示了实际和模拟FJH过程中的最高温度和输出能量；(b)显示了Flash温度随时间变化的曲线；(c-e)显示了PC-SZ、PC-GJ和PC-CZ制备过程的温度云图。

分析结果: FJH过程在极短时间内（约250-500ms）完成，最高温度达1290°C。模拟与实验结果一致，证实了过程的可行性。低变质煤反应时间更短，温度分布均匀。

图3: 多孔碳的SEM图像

图3显示了PC-SZ、PC-GJ和PC-CZ的SEM图像。PC-SZ表面最粗糙，有大量蜂窝状孔隙；PC-GJ孔隙减少但孔径增大；PC-CZ表面光滑，孔隙少。

分析结果: 煤变质程度越高，多孔碳的孔隙结构越少，表明低变质煤更易形成丰富孔隙。

图4: 多孔碳的N₂吸附等温线

图4显示了三种多孔碳的N₂吸附等温线。PC-SZ吸附量最高，表明其比表面积最大。

分析结果: 吸附等温线符合I和IV型，表明多孔碳以微孔为主，并有部分中孔。PC-SZ的比表面积最高（601.95 m²/g），与吸附量一致。

图5: 多孔碳的孔径分布

图5显示了三种多孔碳的孔径分布。大部分孔隙为微孔（<2nm），PC-SZ的微孔和中孔数量最多。

分析结果: 孔径分布影响吸附性能，PC-SZ的丰富微孔和中孔为其高吸附容量提供了基础。

图6: 多孔碳的结构表征

图6(a)XRD光谱显示多孔碳的晶体结构；(b)Raman光谱显示缺陷程度；(c)FTIR光谱显示表面官能团；(d-i)XPS C 1s谱图分析元素和官能团含量。

分析结果: PC-SZ具有更大的层间距、更多缺陷和含氧官能团，这有助于吸附过程。

图7: MB吸附动力学

图7显示了PC-SZ、PC-GJ和PC-CZ对MB的吸附动力学曲线。PC-SZ的吸附容量最高， equilibrium在80分钟内达到。

分析结果: 吸附过程符合伪二级动力学模型，表明化学吸附主导。

图8: 吸附动力学模型拟合

图8(a)伪一级模型拟合；(b)伪二级模型拟合；(c)Weber-Morris颗粒内扩散模型拟合。

分析结果: 伪二级模型拟合优度最高（R² > 0.99），证实化学吸附是主要机制。

图9: MB吸附机理示意图

图9展示了MB在PC-SZ、PC-GJ和PC-CZ上的吸附机理，包括孔隙结构、缺陷和静电相互作用。

分析结果: PC-SZ的高比表面积、丰富孔隙、缺陷和含氧官能团共同贡献其优异吸附性能。