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[转载]云南师范大学李明教授课题组CEJ:低温氧等离子体对活性碳纤维进行表面改性后的样品结构性质、表面化学及水蒸气吸附的影响

已有 3690 次阅读 2021-4-6 20:47 |个人分类:云师大研究|系统分类:论文交流|文章来源:转载

原创 李明教授课题组 Environmental Advances 今天

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第一作者:黄耀炜
通讯作者:余琼粉副教授
通讯单位:云南师范大学太阳能研究所
论文DOI10.1016/j.cej.2021.129474

图文摘要

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成果简介

近日,云南师范大学李明教授课题组在Chemical Engineering Journal(影响因子10.652)上发表了题为“Surface modification of activated carbon fiber by low-temperature oxygen plasma: Textural property, surface chemistry, and the effect of water vapor adsorption”的研究论文(DOI10.1016/j.cej.2021.129474),系统研究了低温氧等离子体对活性炭纤维表面的改性过程中其结构性质、表面化学及对水蒸气吸附效果的影响,展示了亲水性碳材料在空气取水方面的应用前景。研究发现:碳材料表面的含氧官能团和带有未配对电子的碳原子对碳材料表面亲水性的提升做出了突出的贡献。这种带有未配对电子的碳原子可能与水分子发生了化学反应,并生成了亲水性含氧官能团,这些新生成的含氧官能团将被作为后续水蒸气吸附过程中的一部分亲水性位点,论文借助系统性实验研究和材料表征分析阐明了低温氧等离子体对碳材料的改性机理及其水蒸气吸附机理。

全文速览

本研究首先通过低温氧等离子体对黏胶基活性炭纤维进行了不同处理时间和输出电压下的改性处理,通过XPSFT-IRTG/DTGN2吸附-脱附等温线等表征技术探究了低温氧等离子体改性对黏胶基活性炭纤维表面物化性质的影响;通过水蒸气吸附动力学测试、水蒸吸附-脱附等温线测试及其循环测试和水蒸气循环吸附与再生分析了改性前后样品水蒸气吸附性能的变化,并通过多次水蒸气吸附-脱附等温线测试,评估了改性后样品表面带有未配对电子的碳原子的含量,并结合前人研究,提出了低温等氧等离子体改性碳材料及其水蒸气吸附机理。

引言

空气取水被认为是解决全球水资源短缺的重要方法之一。然而,世界上大多数干燥地区的环境空气相对湿度(RH)较低(甚至低至20%RH)。这也促使研究人员努力开发更具成本效益的吸附剂,以便促进空气取水系统在较低的RH下正常工作。等离子体处理的机制是一个相当复杂的过程,因为等离子体中存在许多高活性物种(如:自由基、离子和亚稳态粒子)。因此,等离子体处理可以极大地影响碳材料表面的物理化学性质(如:表面形貌、孔结构和官能团)。同时,等离子体处理使碳表面活性显著增强,这可能进一步增加了其水蒸气吸附的复杂性。结合低温等离子体操作简便、环境友好与碳材料孔结构性能优异、表面化学灵活可调等优点,本工作研究人员研究了低温氧等离子体(LTOP)改性对活性碳纤维水蒸气吸附效果和机理的分析。

图文导读

样品表征
通过LTOP不同的处理条件(以有效输出电压和处理时间为变量)在样品表面接枝了不同含量的亲水性含氧官能团,并通过XPSFT-IRTG进行了表征和分析。探究了不同处理条件对碳样品表面官能团变化的影响。

吸附性能测试

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Fig. 12. Several water vapor adsorption-desorption cycles of ACF-raw and ACFL8-30 at 25 ℃. (a): the whole cycles of ACF-raw, (b): the whole cycles of ACFL-8-30, (c): the partial enlargement cycles of ACF-raw with the horizontal axis of logarithmic coordinate, (d): the partial enlargement cycles of ACFL-8-30 with the horizontal axis of logarithmic coordinate.
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Fig. 14. Water vapor adsorption stabilities on ACF-raw, ACFL8-15 and ACFL8-30.

通过水蒸气吸附动力学测试、水蒸吸附-脱附等温线测试及其循环测试和水蒸气循环吸附与再生分析了改性前后样品水蒸气吸附性能的变化。研究发现,除了含氧官能团外,带有未配对电子原子的碳原子对碳材料表面的亲水性做出了贡献。并通过多次水蒸气吸附-脱附等温线测试,评估了改性后样品表面带有未配对电子的碳原子的含量。

机理分析

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Fig. 15. Possible mechanism of functionalization of carbon samples with LTOP treatment.

结合表征分析与前人研究,分析了LTOP改性对碳表面的改性机理与改性后样品对水蒸气的吸附机理。LTOP处理不仅使得样品表面接枝了大量的含氧官能团,同时在碳表面也可能出现了三种带有未配对电子的碳原子。亲水性含氧官能团对水分子的吸附主要与氢键作用有关,而带有为配对电子的碳原子则可能在水蒸气吸附测试的过程中与水分子发生反应,并形成亲水性氧化物,如:羧基和羟基等。这些新生成的亲水性氧化物可作为后续水蒸气吸附的活性位点。

小结

该工作重点揭示了等离子体改性后碳材料表面亲水性提升的机制及其在空气取水方面的应用前景,采用多种物理化学表征手段和系统性实验研究揭示了LTOP改性后样品的水蒸气吸附机制,这为开发高亲水性炭基吸附剂提供了一定的理论支撑。

课题组介绍

太阳能热工实验室研究团队(李明教授课题组)为西部高原地区太阳能有效利用及可持续开发研究教育部创新团队、云南省可再生能源研究创新团队,本团队主要从事太阳能光伏光热利用的基础理论和应用技术研究,在太阳能槽式聚光集热利用综合系统集成研究、太阳能制冷、光伏热泵空调及农产品干燥开发利用、碳材料开发及应用、光伏发电系统的并网、控制与保护关键技术研究方面做了大量的研究工作,取得了一定的科研成果,为服务地方经济做出了一定贡献。现有成员8名,其中教授3名,副教授2名。云南省中青年学术与技术带头人2人,新世纪百千万人才工程国家级人选1人,云南省“万人计划”-“云岭学者”1人,云南省“万人计划”-“青年拔尖人才”2人。
李明教授:
男,博士,教授,博士生导师,新世纪百千万人才工程国家级人选,教育部创新团队负责人,云岭学者,享受国务院政府特殊津贴,云岭教学名师。主持完成国家高技术研究发展计划(863计划)、国家国际科技合作计划专项项目、NSFC-云南省联合基金重点项目、国家科技支撑计划子课题、国家自然科学基金项目等数十项。获省部级科学技术奖12项,其中获2018年度云南省自然科学奖一等奖(第一完成人)。发表SCIEI论文140余篇,获发明专利30余项,专著、教材2部。

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余琼粉副教授:
女,博士,副教授,博士生导师,云南省“万人计划”-“青年拔尖人才”。研究方向为固体除湿材料功能设计、太阳能干燥和大气污染控制,主持国家自然科学基金项目2项,结题云南省应用基础研究计划面上项目1项。第一作者或通讯作者发表SCIEI论文20余篇,获发明专利授权3项。

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参考文献:
Y. Huang, Q. Yu, M. Li, S. Jin, J. Fan, L. Zhao, Z. Yao, Surface modification of activated carbon fiber by low-temperature oxygen plasma: Textural property, surface chemistry, and the effect of water vapor adsorption, Chem. Eng. J. (2021) 129474, DOI:10.1016/j.cej.2021.129474.
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721010615




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