作者：扬州大学 庞欢教授，昆士兰大学 Yusuke Yamauchi教授，德累斯顿工业大学Stefan Kaskel教授等
文章链接：DOI：10.1002/adfm.202204714
活性炭是一类重要的高比表面积多孔材料。由于其独特的结构、低廉的价格和大规模的生产技术，这种多孔碳长期被用作消除污染的吸附剂。在过去的十年中，活性炭在合成、结构、应用以及理论和实验方法方面都取得了许多创新。本文从合成化学和材料科学的角度对活性炭的最新进展进行了综合评述（图1）。首先，讨论了关键的结构参数，特别强调了多孔结构、杂原子掺杂、表面官能团和石墨化程度。其次，对活性炭的先进合成策略进行了总结。特别强调了活化剂和碳源之间的反应机制，以及可控形态和形貌的设计。然后，介绍了它们在各种新兴领域的应用，包括超级电容器、电容去离子化、电池、电催化和碳捕获。本文还特别强调了活性炭材料的合成-结构-性能之间的潜在联系。最后，提出了它们在能源和环境科学方面的挑战和展望。
图1 活性炭材料的制备、结构、应用以及它们潜在的相关性。
活性炭是一种高比表面积、内部孔隙发达的多孔炭质材料，通过成熟的碳化-活化技术实现了商业化。活性炭的原料可以是储量丰富、含碳量高的资源，如焦炭、煤、泥炭、木材、椰子壳、坚果壳、木质素等，具有很高的经济吸引力。结构上，活性炭具有局部芳香构型，但不具有长程有序性。层状的、类石墨型结构无序地堆叠在一起，产生了许多分子尺度的裂缝或孔隙。这些有组织的碳层大小、排列和连接是由活化条件决定的。活性炭的工业化生产最早出现在上世纪初，当时主要用于化工和食品的液体脱色。然后，在第一次世界大战期间，它们被广泛用于消除有毒物质的防毒面具。后来，这些纳米碳被广泛应用于水处理(饮用水、城市废水和工业废水)和烟气净化，这些在当今仍然非常重要。预计到2025年，全球活性炭行业规模将达到330万吨，2019-2027年的复合年增长率为4.8%，也就是说，即使受新型冠状病毒危机的影响，到2027年，活性炭的全球市场规模预计仍将达到40.647亿美元。值得注意的是，虽然模板碳和碳化物衍生碳具有更有序、更均匀的多孔结构，但简单的合成策略使得活性炭仍然是各种能源和环境领域的候选。
本综述旨在阐明活性炭材料的关键结构性质和制备方法，强调潜在的合成-结构-性能关联，并预测未来的发展方向。活性炭具有优异的物理化学/结构特性，包括高比表面积、良好的孔隙结构、可调的表面性质、显著的热/化学稳定性、多样的形貌和良好的电导率，对这些结构特征的机理理解可以指导高性能活性炭材料的可控设计。
本文从合成化学和材料科学的角度阐述了活性炭在电化学领域和碳储存/分离方面的重要进展。原理上来说，这些应用都指向活性炭与客体物种之间的吸附、存储和相互作用，如电解液离子、硫、氧、硒、溴、碘和二氧化碳分子。
活性炭的性能在很大程度上取决于其结构参数，其中最关键的因素是多孔结构(比表面积、孔径、孔容和孔构型)、杂原子掺杂、表面官能团和石墨化程度。从材料科学的角度来看，活性炭的内在性质与结构参数密切相关，如比表面积和孔隙度(取决于孔隙结构)，润湿性和极性(取决于表面化学，即杂原子掺杂和表面官能团)，电导率(取决于表面化学和石墨化程度)，如图2所示。目前，有大量的实验和理论研究旨在探索它们的结构-性能关系。这些研究将为功能化活性炭的制备提供指导。我们还将重点放在对其结构表征的深入理解上，特别强调在比表面积和孔隙大小测量中正确使用物理吸附技术（表1）。
图2 活性炭的物理化学性质与结构参数之间的关系示意图。
表1 不同理论方法评价比表面积和孔隙结构的适用性和局限性。
虽然活性炭的工业化已经有一个世纪的历史，但活性炭的生产仍然是一个不断摸索的过程。因此，迫切需要对活化原理和反应过程的深入了解。最近在活性炭制备方面取得的进展，使其具有可调的表面积、单分散的孔径分布、明确的表面性质、可控的石墨化特性、不同的宏观形态(纤维、薄膜、气凝胶、块体)和微观形貌(从0D到3D)。如图3所示，选择合适的原材料和活化剂至关重要，包括化石、生物质和聚合物原料，以及化学活化剂(KOH、“类KOH”剂、ZnCl2、H3PO4)、物理活化剂(O2、H2O (g)、CO2、NH3)和自活化。需要指出的是，合成具有定制结构性能的活性炭主要是为了改变其内在物理化学性质，如孔隙度、亲水性、极性和电导率。
活性炭是经典的吸附剂和催化剂载体。近年来，活性炭不仅在电化学相关领域，而且在气体储存和分离方面得到了开发。由于其出色的物理化学性质，材料化学家可以利用它们与客体分子之间的相互作用。值得一提的是，活性炭的分子尺度孔隙对于匹配目标物种至关重要，例如超级电容器和电容去离子化中的电解液离子，金属-硫(硒, 溴, 碘)电池和ORR/OER中的硫族或卤族元素，以及碳捕获中的CO2分子(图4)。本文特别关注活性炭材料在这些现代应用中的性能和机制，以及与结构特征的潜在关联（表2）。
图4 活性炭与各种客体物种反应示意图及其在超级电容器、电容去离子化、金属-硫 (硒, 溴, 碘)电池、ORR/OER和碳捕获中的应用。
对于活性炭材料在不同领域的应用，确定其首选的物理化学性质和结构参数是非常有指导意义的(表3)。此外，本文对活性炭的商业化提出了展望和技术经济分析，并根据碳达峰和碳中和的目标，提出了未来活性炭可能的绿色制备方法。
活性炭技术的发展仍有一些重要问题需要解决：(1)合成中难以精确控制其结构性质；(2)对于活性炭精确和定量的表征仍然比较复杂; (3)建立材料结构、应用性能与反应机理之间的关系是必要的；(4)探索新型、功能化活性炭基复合材料。如示意图5所示，解决这些问题对未来活性炭技术的发展至关重要：可以促进多功能活性炭的设计，拓宽应用范围，提高实际性能。本文作者希望这篇综述不仅能向读者介绍活性炭领域的最新进展，而且也对其在实际应用中的成功提出挑战和展望。
图5 概述活性炭技术的流程图、挑战和未来发展方向。
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