DOI: 10.1007/s10965-020-02386-w
首先，研究者介紹了一種平均纖維直徑在108nm至623nm之間的電紡碳纖維氈的制備工藝。該碳纖維氈是通過靜電紡絲聚丙烯腈（PAN）溶液，隨后對其進行碳化處理制備而成的。纖維氈的特性有細微的變化，滿足參數研究的前提條件。其次，研究了在三種不同活化溫度和時間下水蒸氣和CO2活化動力學。兩種活化方法都會使表面積增加，具體取決于活化溫度和時間。對燃盡度、表面積和電導率的詳細分析揭示了對微觀活化動力學的深刻理解。碳纖維氈的不同纖維直徑可以區分表面驅動和宏觀過程。結果表明，CO2活化動力學受傳質控制，而水蒸氣活化動力學受反應速率控制。表面積的大小與燃盡度的非線性行為可歸因于PAN衍生碳的渦輪層性質和活化劑的獨特特性。
圖1.改良KatoTech NEU靜電紡絲設備的示意圖。△y是噴絲頭沿收集器軸以60cm/min移動的范圍。
圖2.纖維氈處理步驟的示意圖，聚合物纖維墊以紅色顯示。處理步驟：1）從收集器上取下纖維墊，2）將纖維墊夾在載體層和紙模板之間，3）如圖所示將三明治結構切成規則的塊，4）去除載體層和紙模板，將纖維墊放置在氧化鋁片之間。碳化過程中，纖維氈的尺寸從最初的7×7cm2縮小到最終的5×5cm2。將碳纖維氈樣品切成2×2cm2的尺寸進行活化。
圖3.電紡PAN纖維（右）和平均纖維直徑在108nm至623nm之間的衍生碳纖維（左）的掃描電子顯微照片。a至d對應于使用分別含6wt％、8wt％、11wt％和13wt％PAN的紡絲原液制備的材料。注意：成像前，通過金濺射改變了纖維的表面結構。
圖4.a-d使用含不同聚合物濃度的紡絲原液（6wt％，8wt％，11wt％，13wt％）制備的碳纖維及其各自的電紡PAN前體纖維的纖維直徑分布。根據對數正態分布（n=300）計算平均纖維直徑和寬度分布，將其以實線顯示。11wt％和13wt％纖維分布較寬，這可能是纖維沉積過程中纖維分支和合并的結果。
圖5.CO2活化：燃盡和特定ECAS與平均纖維直徑、活化溫度和時間的關系。
圖6.a）不同活化溫度和b）活化時間下CO2活化電位ζ與特定幾何面AG的相關性分析。虛線表示95％預測間隔。兩種線性相關均存在顯著性差異（p<.001）。活化溫度的線性回歸模型解釋了85％的散射，活化時間的線性回歸模型解釋了75％的散射。c）顯示了歸一化為各匹配線的y軸截距的活化電位。同時歸一化的活化電位表示與特定幾何面具有等效相關性。
圖7.水蒸氣活化：燃盡（a，b）和特定ECAS（c，d）與平均纖維直徑、活化溫度和時間的關系。
圖8.對于所有纖維直徑而言，（a，b）CO2和（c，d）水蒸氣活化的特定電導率變化與燃盡度的函數關系。數據在活化溫度和時間效應上有所不同。
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