活性炭表面基团的定性和定量分析

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1、Vol．33高等学校化学学报No．32012年3月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES548～554活性炭表面基团的定性和定量分析121李娜，朱健，查庆芳(1．中国石油大学(华东)化学工程学院，青岛366555;2．苏州大学材料与化学化工学部，苏州215123)摘要利用过硫酸铵对石油焦基活性炭进行了氧化处理，并使用元素分析、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、带质谱检测的程序升温脱附(TPD-MS)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收近边结构(XANES)等方法对样品进行了分析和表征，并对不

2、同表征方法所得结果进行了对比分析．结果表明，元素分析所得结果与TPD-MS分析结果较吻合，XPS和XANES分析所得含氧量结果偏小．关键词活性炭;含氧基团;定量分析;TPD-MS中图分类号O647;TQ424．1文献标识码ADOI:10．3969/j．issn．0251-0790．2012．03．022［1～3］多孔碳材料被广泛应用于催化、吸附、电极材料、能源储备及医药等领域．其使用性能主要［1～4］由碳材料的物理结构及化学性质所决定．通常，碳材料的表面化学性质主要由其表面官能团的种［5～8］类和数量所决定，其中，含氧官能团的

3、影响最大．大量研究结果表明，含氧官能团的数量和种类极大地影响了活性炭的吸附、催化、氧化还原和亲(疏)水等性质，并对其表面电荷和骨架电子密度产［9～12］生影响，从而进一步影响其使用性能，有时甚至起决定性作用．建立碳材料物理和化学性质与其使用性能的关系是制备高性能碳材料的前提和保障．而其中对碳材料物理和化学性质的准确测定显得尤为重要．使用BET结合电镜等方法可以对碳材料的物理性能进行较为准确的测定和表征，这一表征手段的理论和实际操作方法也较为完备．然而，对于碳材料表面化学性质的测定，特别是起决定性作用的含氧官能团的数量和种类的测

4、定尚需完善．常用的表征碳材料表面含氧官能团的方法包括化学滴定法、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线［13～18］光电子能谱(XPS)和程序升温脱附(TPD)等．这些方法都是定性定量分析碳材料含氧官能团的［13～21］有效手段，但又存在自身的局限性．例如在利用化学滴定法测定微孔材料时存在反应平衡时间［4，14］过长、处理少量样品时重复性差、最多只能检测出活性炭样品中总含氧量的50%等局限．另外，该方法仅限于具有特定酸强度的官能团的测定，而对于酸性较弱的含氧官能团和含硫、氮的官能团较难测定，因此常用于强酸性含氧官能团的测定;F

5、TIR是一种广泛用于表面基团定性和半定量的分析手段，根据FTIR谱图中不同波数峰的位置和面积，可以分析碳材料表面官能团的种类和数量．但由于碳［13～16］材料表面官能团的相似性，很难区别具有类似结构(例如内酯和酯，酮羰基和醌类等)的官能团;XPS作为一种表面分析手段，通常只能穿透样品表面10～15nm的厚度，因此更适用于石墨和碳纤维［4，14，15］等样品的表面分析，较难准确实现多孔碳材料含氧官能团的定性和定量分析;TPD法利用不同官能团在不同温度分解的原理，可准确确定碳材料所含官能团的种类和数量，而且操作简便，所用仪［3，1

6、3，14］器简单，测定精确度和重复性较好，尤其适用于表征含大量微孔的碳材料所含的含氧官能团．由于不同的表征方法存在自身的局限性，单独采用一种方法所得到的测试结果往往与实际情况存［13，16～18］在偏差．因此，研究和比较同一样品不同方法测试后结果的差异，将有利于更准确地对不同含氧官能团进行精确的定性和定量分析．本文将一种以石油焦制备的商品活性炭经过硫酸铵氧化处理后，得到了含氧量较高的活性炭样收稿日期:2011-08-25．基金项目:国家重质油重点实验室开放基金(批准号:SKLVP201102008)资助．联系人简介:查庆芳，男

7、，教授，主要从事新型碳材料的开发和重质油加工的相关研究．E-mail:upcqfzha@gmail．comNo．3李娜等:活性炭表面基团的定性和定量分析549品．利用元素分析、FTIR、XPS、TPD和X射线吸收近边结构(XANES)等方法对氧化前后活性炭样品含氧官能团种类(图1)和数量进行了表征，并将不同表征方法所得含氧官能团的种类和数量进行了对比，对不同表征方法的优缺点进行了讨论．Fig．1Oxygen-containinggroupsintheactivatedcarbon1实验部分1．1试剂23所用活性炭为石油焦基商品

8、活性炭，记为PAC，其比表面积为2311m/g，孔体积为1.18cm/g，灰分为1.78%(质量分数)．样品在使用前用去离子水充分洗涤后于110℃真空干燥至恒重．过硫酸铵(APS，纯度98%，Aldrich公司)未经纯化直接使用．1．2实验过程活性炭经如下方法进行氧化处理:将