Вплив умов карбонізації на пористу структуру вуглецевих матеріалів

Анотація

В цій роботі досліджені зміни пористої структури вуглецевого матеріалу при хімічній активації абрикосової кісточки при різних температурах. Основна мета роботи полягала у вивченні особливостей внутрішньої мікро- та мезоструктури поверхні вуглецю, а також встановленні закономірностей у розподілі пор за розмірами залежно від температури карбонізації вихідної сировини рослинного походження та наступної хімічної активації.

Об’єкт дослідження – пористий вуглецевий матеріал, одержаний із сухих фруктових кісточок абрикосу, попередньо подрібнених та очищених від серцевини. Дана сировина карбонізувалась при             300–900 °С з інтервалом 100 °С та піддавалась хімічній активації гідроксидом калію у ваговому відношенні X_К , де Х_К = m(KOH)/m(C). Таким чином отримано серію зразків С3–С9.

Характеристики пористої структури (питому площу поверхні і загальний об’єм пор) пористого вуглецевого матеріалу було визначено на основі аналізу ізотерм адсорбції/десорбції азоту. Встановлено, що дані матеріали мають каркасну структуру з великою кількістю мікропор. З аналізу літературних даних виявлено, що експериментальні криві належать до ізотерм, які характерні для багатошарової адсорбції в мікро- та мезопорах матеріалів органічного походження. Петля гістерезису, що спостерігається на цих ізотермах, пов’язана із процесами сорбції у вузьких порах. Показано, що карбонізація вихідної сировини та хімічна активація сприяють очищенню каркасної структури, а також існують прийнятні режими термообробки вихідної сировини рослинного походження, які визначають оптимальний розподіл пор за розмірами та мають питому площу поверхні S = (1042–1313) м²/г.

За допомогою скануючої електронної мікроскопії досліджено особливості утворення включень на поверхні вихідних зразків та встановлено їхню природу. Встановлено, що найбільшу загальну площу пор має зразок, карбонізований при 600 °С, а найбільший об’єм пор V_total = 0.68 см³/г для зразка С3 пов’язаний із значною кількістю мезопор у пористій структурі. При збільшенні температури карбонізації до 800–900 °С відбувається виродження вузьких мікропор та трансформація вуглецевої матриці, внаслідок чого спостерігається зменшення як загальної площі пор, так і сумарного пористого об’єму.