La riattivazione del carbonio è un processo chiave che conferisce ai materiali di carbonio eccellenti proprietà di adsorbimento e attività superficiale. La sua essenza sta nel regolare la microstruttura e le proprietà chimiche superficiali della matrice di carbonio attraverso mezzi fisici o chimici, ottenendo così la progettazione mirata delle funzioni dei materiali. Durante il processo di riattivazione del carbonio, il primo passo è la decomposizione termica e la carbonizzazione del precursore che forma unità strutturali di base di anelli esagonali di carbonio disposti in modo casuale. Queste unità sono interconnesse attraverso le forze di van der Waals e i legami covalenti per formare la struttura iniziale del carbonio. In questa fase, il materiale di carbonio ha tipicamente una bassa area superficiale specifica e una struttura a pori chiusi, che richiede un ulteriore sviluppo del suo spazio interno attraverso il processo di attivazione.
L'attivazione fisica utilizza vapore, anidride carbonica o aria come agenti di attivazione. In un intervallo di temperatura di 800-1100 gradi, le molecole dell'agente di attivazione subiscono reazioni di ossidazione con gli atomi di carbonio nella struttura del carbonio. Questo effetto di attacco selettivo si verifica preferenzialmente nei siti attivi più energetici nella struttura del carbonio, ad esempio difetti, legami insaturi e così via. Man mano che la reazione di attivazione continua, i micropori formati inizialmente si espandono strato dopo strato attraverso l'attacco delle pareti dei pori e l'interconnessione tra micropori adiacenti forma mesopori, costruendo infine una rete di pori multilivello composta da micropori, mesopori. Il controllo preciso della temperatura e del tempo di attivazione è cruciale in questo processo: una temperatura troppo bassa si tradurrà in una velocità di reazione di attivazione lenta e in uno sviluppo incompleto dei pori; mentre una temperatura troppo elevata può provocare un'eccessiva combustione dello scheletro carbonioso, riducendo la resistenza meccanica e la resa del materiale.
L'attivazione chimica comporta l'introduzione di agenti chimici prima o durante la carbonizzazione. Il suo meccanismo è più complesso dell'attivazione fisica e comprende effetti di disidratazione, catalitici e di attacco. Rispetto all'attivazione fisica, l'attivazione chimica presenta i vantaggi di una temperatura di attivazione inferiore e di una maggiore efficienza di reazione, e l'introduzione degli agenti modifica l'ambiente chimico superficiale del materiale di carbonio - ad esempio, l'attivazione dell'acido fosforico può trattenere più gruppi funzionali contenenti ossigeno-, mentre l'attivazione dell'idrossido di potassio tende a formare superfici alcaline ricche di elettroni-.
La modifica superficiale durante il processo di riattivazione del carbonio è un altro aspetto importante per esaltare le proprietà specifiche del materiale. Nell'ambiente ad alta-temperatura della reazione di attivazione, la superficie del materiale di carbonio subisce reazioni chimiche con l'agente di attivazione e i gas impuri nell'atmosfera, formando gruppi funzionali contenenti ossigeno-per esempio idrossile, carbossile e così via, nonché una piccola quantità di gruppi di azoto e zolfo. I tipi e le quantità di questi gruppi funzionali influenzano direttamente la bagnabilità superficiale, le prestazioni elettrochimiche e la selettività di adsorbimento del materiale di carbonio - ad esempio, l'introduzione di gruppi carbossilici può migliorare significativamente la capacità di chelazione del materiale per i cationi di metalli pesanti, mentre la presenza di azoto di tipo piridinico- può migliorare la sua attività catalitica nelle reazioni di riduzione dell'ossigeno. Inoltre, i difetti superficiali (come posti vacanti singoli, doppi e difetti topologici) generati durante il processo di attivazione forniscono abbondanti siti attivi per il materiale, dimostrando vantaggi unici nello stoccaggio di energia, nella conversione catalitica e in altri campi.
Dal meccanismo microscopico alle prestazioni macroscopiche, lo sviluppo della tecnologia di riattivazione del carbonio si è sempre basato sulla legge di correlazione "struttura - prestazione - applicazione". Con l'applicazione di tecniche di caratterizzazione avanzate come la radiazione di sincrotrone e la microscopia elettronica-corretta per l'aberrazione, i ricercatori hanno acquisito una comprensione più profonda del processo dinamico dell'evoluzione dei pori e del meccanismo di formazione dei gruppi funzionali superficiali durante il processo di attivazione, fornendo una guida teorica per il controllo preciso della microstruttura dei materiali di carbonio. In futuro, attraverso la simulazione multi-scala e la progettazione sperimentale intelligente, la tecnologia di riattivazione del carbonio si svilupperà verso una direzione più ecologica e personalizzata, espandendo ulteriormente i suoi confini applicativi nella governance ambientale, nelle nuove energie e nella produzione-di fascia alta.