DOI:10.1002/cssc.202000520
本文研究了電紡聚丙烯腈（PAN）基碳納米纖維（CNFs）的氣體吸附性能。采用CO2吸附量測試表明，可以通過所施加的碳化溫度來調節纖維的吸附能力和選擇性。一般的碳納米纖維的孔特性可通過Ar吸附測量確定，而CO2吸附測量提供了有關超微孔性、吸附能和吸附容量的信息。通過對N2和CO2單組分數據的評估，可以確定在實際相關條件下的理想吸附溶液理論（IAST）選擇性。尤其是在低碳化溫度下，CNFs表現出很好的低壓吸附性能，在20 mbar時CO2/N2的選擇性為350，在1 bar時為132，這歸因于在非常窄的狹縫孔隙中的分子篩效應。這些IAST選擇性代表了迄今為止文獻中報道的碳材料的一些最高值，以及制備的、未經后處理的碳的最高IAST選擇性。
圖1：一些電紡PAN基碳納米纖維的SEM（a-d）和TEM（e，f）圖像。圖像a，c和e顯示了在600℃時碳化的纖維。圖像b，d和f顯示了在1000℃時碳化的纖維。
圖2：電紡PAN基碳納米纖維在600℃至1100℃碳化的XPS分析結果（有關光譜和積分，請參見圖S2和S3）。（a）功能表面基團分數歸一化至氮峰面積。（b）表面原子的總分數。
圖3：在87 K下電紡PAN基碳納米纖維的Ar吸附等溫線。（a）在600℃和700℃（C600和C700）下碳化的樣品，（b）在800℃至1100℃（C800-C1100）下碳化的樣品。（在（b）中，為清楚起見未顯示解吸支鏈，但可在圖S4中找到。）
圖4：電紡PAN基碳納米纖維在273 K、600℃至1100℃（C600至C1100）下碳化時的CO2吸附特性。（a）CO2吸附等溫線（為清晰起見，未顯示解吸分支，請參見圖S6）。（b）通過Monte-Carlo-（MC）計算獲得的累積孔徑分布。
圖5：電紡PAN基碳納米纖維的吸附CO2量與BET面積（Ar）之比取決于碳化溫度。（括號中的數據點是從未平衡的等溫線獲得的。）
圖6：電紡PAN基碳納米纖維在273 K、600℃至1100℃（C600至C1100）下碳化時的CO2吸附特性。（a）碳化溫度對可用微孔體積的影響。（b）小于0.4 nm的微孔體積與0.05 bar下的CO2吸附性能之間的關系。
圖7：在0.05 bar下，電紡PAN基碳納米纖維上的氮官能團對CO2吸附容量的影響。
圖8：在600、800和1000℃下碳化的CNFs的Ar和CO2吸附特性的示意圖。電紡PAN基碳納米纖維在600℃至1100℃范圍內的不同溫度下碳化時的Ar和CO2吸附示意圖。a）制備好的電紡碳纖維氈的示意圖。b）放大碳纖維墊，顯示隨機取向的碳纖維。c）放大碳纖維墊，顯示出單一，初紡碳纖維，其表面均勻且光滑。d）對單根碳纖維的詳細視圖，顯示單個碳層，這些碳層用作狹縫孔，狹縫孔的寬度根據所施加的碳化溫度而變化。e-g）對所研究的碳納米纖維上出色的CO2吸附的示意圖。由于減小的碳層距離，通過尺寸排阻即分子篩效應來防止單個氣體分子的吸附。e）Ar和CO2都能進入碳層之間的超微孔。f）由于在800℃時碳化的孔徑減小，因此Ar被排除在狹縫孔吸附之外。g）由于超微孔寬度的進一步減小，因此Ar和CO2都被排除在超微孔吸附之外。
圖9：對于在600℃至1100℃（C600至C1100）的碳化溫度下制備的電紡PAN基碳納米纖維，273 K下CO2對N2（10:90）的壓力依賴性IAST選擇性。
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