A reativação do carbono é um processo chave que confere aos materiais de carbono excelentes propriedades de adsorção e atividade superficial. A sua essência reside na regulação da microestrutura e das propriedades químicas superficiais da matriz de carbono através de meios físicos ou químicos, alcançando assim o design pretendido das funções do material. Durante o processo de reativação do carbono, a primeira etapa é a decomposição térmica e carbonização do precursor formando unidades estruturais básicas de anéis hexagonais de carbono dispostos aleatoriamente. Estas unidades estão interligadas através de forças de van der Waals e ligações covalentes para formar a estrutura inicial de carbono. Nesta fase, o material de carbono normalmente possui uma área superficial específica baixa e uma estrutura de poros fechados, exigindo maior desenvolvimento do seu espaço interno através do processo de ativação.
A ativação física usa vapor, dióxido de carbono ou ar como agentes de ativação. Sob uma faixa de temperatura de 800-1100 graus, as moléculas do agente de ativação sofrem reações de oxidação com os átomos de carbono na estrutura de carbono. Este efeito de ataque seletivo ocorre preferencialmente nos sítios ativos mais energéticos da estrutura do carbono, por exemplo, defeitos, ligações insaturadas e assim por diante. À medida que a reação de ativação continua, os microporos inicialmente formados expandem-se camada por camada através da gravação das paredes dos poros, e a interconexão entre microporos adjacentes forma mesoporos, construindo em última análise uma rede de poros multinível composta de microporos, mesoporos. O controle preciso da temperatura e do tempo de ativação é crucial neste processo: uma temperatura muito baixa resultará em uma taxa de reação de ativação lenta e no desenvolvimento incompleto dos poros; enquanto uma temperatura muito alta pode causar queima excessiva do esqueleto de carbono, reduzindo a resistência mecânica e o rendimento do material.
A ativação química envolve a introdução de agentes químicos antes ou durante a carbonização. Seu mecanismo é mais complexo que a ativação física e inclui efeitos de desidratação, catalíticos e de corrosão. Em comparação com a ativação física, a ativação química tem as vantagens de menor temperatura de ativação e maior eficiência de reação, e a introdução dos agentes altera o ambiente químico da superfície do material de carbono - por exemplo, a ativação do ácido fosfórico pode reter mais grupos funcionais contendo oxigênio-, enquanto a ativação do hidróxido de potássio tende a formar superfícies alcalinas ricas em elétrons-.
A modificação da superfície durante o processo de reativação do carbono é outro aspecto importante para melhorar as propriedades específicas do material. No ambiente-de alta temperatura da reação de ativação, a superfície do material de carbono sofre reações químicas com o agente de ativação e gases de impureza na atmosfera, formando oxigênio-contendo grupos funcionais, por exemplo, hidroxila, carboxila e assim por diante, bem como uma pequena quantidade de grupos de nitrogênio e enxofre. Os tipos e quantidades desses grupos funcionais afetam diretamente a molhabilidade da superfície, o desempenho eletroquímico e a seletividade de adsorção do material de carbono - por exemplo, a introdução de grupos carboxila pode aumentar significativamente a capacidade de quelação do material para cátions de metais pesados, enquanto a presença de nitrogênio do tipo piridina- pode melhorar sua atividade catalítica em reações de redução de oxigênio. Além disso, os defeitos superficiais (como vagas simples, vagas duplas e defeitos topológicos) gerados durante o processo de ativação fornecem sítios ativos abundantes para o material, demonstrando vantagens únicas em armazenamento de energia, conversão catalítica e outros campos.
Do mecanismo microscópico ao desempenho macroscópico, o desenvolvimento da tecnologia de reativação de carbono sempre foi baseado na lei de correlação da "estrutura - desempenho - aplicação". Com a aplicação de técnicas avançadas de caracterização, como radiação síncrotron e microscopia eletrônica corrigida de aberração, os pesquisadores obtiveram uma compreensão mais profunda do processo dinâmico de evolução dos poros e do mecanismo de formação de grupos funcionais de superfície durante o processo de ativação, fornecendo orientação teórica para controlar com precisão a microestrutura de materiais de carbono. No futuro, por meio de simulação em-escala múltipla e projeto experimental inteligente, a tecnologia de reativação de carbono se desenvolverá em uma direção mais ecológica e personalizada, expandindo ainda mais seus limites de aplicação em governança ambiental, novas energias e manufatura-de alta qualidade.