碳材料，例如活性炭和石墨，是非常有用的功能材料。活性炭在很多行業應用中比較重要的材料，例如使用變壓吸附，水凈化，空氣凈化，金屬精煉，氣體分離等應用。為了制造工業中更合適的碳材料，本次研究對煤焦油瀝青制成的活性炭施加磁場，分析其對微孔形成的影響。

　　磁場對碳化過程的影響

　　我們對煤焦油瀝青的碳化處理，在各溫度下和不存在和存在磁場的情況下制備的活性炭的XRD峰強度繪制在圖1(a)中。能觀察到大磁場效應，對于用穩定化制備的普通活性炭前體，不可能獲得磁場效應。該結果通過在氧化氣體中熱處理期間在碳材料中形成的氧交聯結構來解釋，通過穩定化形成氧交聯結構不僅導致碳化的抑制，而且使得液晶樣行為變得不可能。這被認為是沒有出現磁場效應的原因。為了闡明交聯結構形成所需的時間，在碳化之前進行穩定化，時間從0到120分鐘變化。此處，0分鐘以外的制備方法基于制備活性炭前體的一般方法。XRD峰強度相對于穩定如圖1(b)所示。無論是否存在磁場，在碳化之前穩定5分鐘后衍射急劇減少。在氧化條件下，無論是否存在磁場，都進行交聯。

　　圖1：在不存在10T磁場下制備的活性炭材料XRD峰強度的熱處理溫度依賴性。

　　在高磁場下活性炭前體材料的具體結構

　　用偏光顯微鏡觀察存在磁場情況下活性炭前體材料煤焦油和瀝青的取向結構。煤焦油具有源自中間相熔融的流動狀結構，如圖2(a)所示觀察到分離的小中間相小球，表明融合不均勻。如圖2(b)所示在通過使用超導磁體獲得的高磁場下碳化的情況下，例如煤焦油的碳化，磁取向顯著加速。如圖2(a)10T處顯示光學各向異性的白色區域廣泛分布(對角線位置)，當樣品旋轉45°時，整個區域變暗(消光位置)。與在0T明顯的結構相反，未觀察到細域結構，并且取向度極高并且在宏觀和微觀上都具有高度均勻的結構。盡管所需的磁場強度取決于原材料特性，但超導磁體的使用對于提供活性炭的新結構非常重要。

　　圖2：(a)在沒有和存在2T和10T的磁場的情況下制備的活性炭前體材料的偏振顯微鏡圖像。(b)對煤焦油瀝青的碳化過程的磁場效應的示意圖。

　　活性炭的孔隙分布

　　從煤焦油和瀝青制備活性炭的微孔分布，從所獲得的吸附等溫線，在圖3兩種活性炭的孔徑差異非常小相差不到0.04nm，并且在兩種情況下大多數孔分布在0.80和0.95nm之間。然而，觀察到由磁場增強過的活性炭吸附量在該區域中大大增加。從吸附等溫線可以估計0.8至0.95nm范圍內的總吸附量約為1.25倍。當活化劑量加大時兩種活性炭的孔徑分布均發生變化，產生了略大的孔隙結構。

　　圖3：由(a)活性炭和(b)高磁場下制備活性炭的孔徑分布。

　　磁場改變孔隙結構的機制

　　我們預測磁場對活性炭微孔形成機制的差異。在施加的磁場下，由于取向的碳聚結，碳六邊形沿磁場方向形成，這種效應導致沒有邊界的結構。結果，由于微晶與磁場的排列，在活化過程中化學品不容易進入晶間和碳間六角層。涉及金屬活化劑滲透到炭微晶中，破壞六邊形結構以形成炭的邊緣表面和嵌入活性炭中間層的化學物質。活性炭的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示在圖4中。活性炭在沒磁場的情況下，圖像大多數顯示出片狀結構。然而，活性炭在高磁場的情況下，圖像大多數顯示出塊形態。即使在觀察活性炭堆積平面的橫截面時，后者也顯示出比前者更清潔的橫截面，并保留了反映前體的有序結構。活化劑的比率不同會導致，活性炭形成微孔的大小。在活化劑和前體材料比率為3時，微孔數量的增加率較大。然而，在活化劑和前體材料比率為5時，微孔和相對大的孔隙之間的關系被逆轉。

　　圖4：兩種活性炭的SEM圖像，比率為3的活化劑和前體材料。

　　實驗發現在高磁場下制備的活性炭的吸附能力大于沒有磁場制備的35%。在非反應性氣體下對活性炭的磁場作用通過中間相中的磁取向來解釋，其類似于液晶。通過穩定化處理，該磁場效應消失。對前體的磁場作用導致大量微晶的構造，這導致形成大量微孔。盡管在磁場下制備的前體的活化是困難的，但是還是有辦法能形成微孔的。通過在磁場下制備改善了活性炭的微孔容量，并且我們可以預期由于更細的孔徑分布而產生分子篩效應。因此，可以在碳化區域中在相對低的溫度下獲得磁場效應，因此不需要在磁場下在高溫下進行活化，這從應用的觀點來看是非常重要的。因此，可以用磁場控制活性炭的孔隙性質。

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