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活性炭的基本晶体结构
发布时间:2020-11-13 浏览:

活性炭由已石墨化的活性炭微晶和活性炭原料中未石墨化的非晶炭质构成活性炭的基本炭质,并由这些炭质与炭微晶相互连接构筑成活性炭的块体和空隙结构。活性炭通常被认为是无定形炭,又被认为是属于微晶类的炭系。X射线衍射分析表明,活性炭的结构中包含有石墨微晶,这些微粒是尺寸为1-3nm的结晶。根据赖利(Riley)的X射线分析数据,除了石墨微晶外,活性炭还含有1-3个无定形炭,并且还有杂原子,由石墨微晶和无定形炭所构成的多相物质决定着活性炭独特的结构。

在石墨结构中,碳原子以sp2杂化成键,剩余的一个p轨道相互平行重叠,形成大π键进而形成石墨的平面网状结构,平面网状之间平行而规律性地排列着(面网之间的作用力为范德华力),形成规整的三维结构,其中C-C键的长度为1.42Å,面网间距为3.35Å,其结构如图1-1(a)所示,所以石墨具有导电、导热和润滑性能等特性。

图1-1石墨与活性炭的基本结构与区别

活性炭属于一种无定性炭(如木炭、炭黑、焦炭),但与活性炭最初的原料如木材和果壳等相比,活性炭原料经炭化、活化等过程后,其中部分碳原子之间已形成了微晶炭(活性炭的基本结晶),其面网结构与石墨类似,但在层片大小、层面内碳原子的六角形排列的完善度、平面化程度以及层间距等方面与石墨比较存在着不同程度的差异。除微晶炭外,活性炭前躯体经炭化、活化等过程后仍然有部分未晶化的炭,活性炭被认为是由微晶群和其他未组成平行层的单个网状平面以及无规则炭组成的多相物质。

目前,在X射线分析的基础上,已发现活性炭的微晶炭有两种不同的结构,一种是类石墨结构的微晶炭,其大小随炭化温度而变化,大小约由三个平行的石墨层所组成,其宽度约为一个炭六角形的9倍,它与石墨相比,微晶炭中平面面网之间排列不整齐,称为“乱层结构”,与石墨结构的比较如图1-1所示;另外一种微晶炭是由于石墨网结构之间的轴向不同,面网之间的间距也不整齐,或石墨层间扭曲,可能因杂原子(如氧、氮等)的侵入而稳定, 炭六方面网被空间交联而形成无序的结构。Riley认为, 在大部分炭材料中(包括活性炭)均含有这两种结构类型,而活性炭的最终特性则取决于它是以哪种类型的结构为主。

弗兰克林把除金刚石以外的炭素物质分为容易石墨化的易石墨化炭素和难以石墨化的不易石墨化炭素(见图1-2)。其中不易石墨化的炭素是软的,易石墨化的炭素是硬的,他还认为,易石墨化的炭素可能是由乱层结构组成的,而不易石墨化的炭素可能是由具有交叉连锁的晶格结构构成。

图1-2易石墨化和难石墨化炭素的结构

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