利用同步辐射SAXS/WAXS技术研究仿丝基碳纤维在CO2活化过程中的微观结构演变

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Synchrotron radiation SAXS/WAXS investigation on microstructural evolution of rayon-based carbon fibers during CO2 activation process

【字体：大中小】 时间：2026年05月11日 来源：Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 5.4

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河北工程大学材料科学与工程学院，中国邯郸056038

摘要

基于粘胶的活性炭纤维（VACFs）的微观结构是其吸附性能的决定性因素。本文以人造纤维为前驱体，通过同步辐射小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）系统研究了在0-180分钟的CO₂活化过程中人造纤维基碳纤维的微观结构演变。结果表明，CO₂活化过程中的孔隙演变分为三个特征阶段：早期阶段（0-80分钟）以微孔优先形成和孔隙从闭合到开放的转化为主，显著提高了小分子吸附能力；中期阶段（80-100分钟）是微孔向中孔转变的转折点，此时微孔吸附效果达到峰值；后期阶段（100-180分钟）则以中孔生长为主，伴随着微孔塌陷和部分闭合孔隙的再生成，从而使大分子吸附能力持续提升。通过结合同步辐射SAXS的总孔隙信息和氮吸附的开放孔隙参数，我们量化了活化过程中开放/闭合孔隙的动态演变，并建立了微观结构与吸附性能之间的定量关系，为针对性地调控孔隙结构和优化人造纤维基碳纤维的吸附选择性提供了指导。

引言

基于粘胶的人造纤维基活性炭纤维（VACFs）是通过催化、稳定、碳化和活化工艺从可再生粘胶前驱体制备的高性能多孔碳材料[1],[2],[3]。它们具有高比表面积、丰富的孔结构以及优异的吸附性能，同时保持了纤维材料的柔韧性和加工性。因此，在环境保护、化学分离、防护和能量存储等领域具有广泛的应用前景[4],[5]。活化是决定VACFs最终微观结构和吸附性能的关键过程[6]。纤维中微孔的形成和演变尤为重要，因为它们直接影响材料捕获小分子污染物的能力[7]。

目前，基于粘胶的碳纤维的活化方法包括物理活化、化学活化以及物理化学联合活化[8]。其中，二氧化碳物理活化方法因其环境友好性、可调的孔径大小和高产品纯度而受到广泛关注。通过二氧化碳活化的VACFs具有更好的微孔结构、更大的微孔体积和更窄的孔径分布[9],[10]。孔径分布在吸附过程中非常重要。VACFs是各向异性的碳材料，其孔隙沿纤维轴优先 orientations[11]。尽管许多学者对基于粘胶的碳纤维的CO₂活化进行了大量研究，但在活化过程中微孔结构大小、微孔取向和孔径分布的变化仍存在许多不确定性[12],[13],[14],[15]。研究活化过程中粘胶纤维中微孔的演变变化对于调控孔结构和提高活性炭纤维的吸附性能至关重要[16],[17],[18],[19]。

同步辐射小角X射线散射（SAXS）对电子密度波动敏感，能够对从微孔到中孔尺度（约0.5~100纳米）的材料进行非破坏性的全面孔隙信息统计表征[20],[21],[22],[23]。它可以提供多种结构信息，包括孔径大小、分布、取向和分形特性，并已广泛用于结合气体吸附测量来研究多孔碳材料的孔隙发展[24],[25]，是研究多孔材料微观结构的最强有力工具之一[20]。WAXS能够高分辨率地定量确定碳晶粒的关键结构参数，包括层间距、晶粒大小、取向程度和结构有序度。结合SAXS和WAXS可以揭示碳骨架晶粒演变与孔结构发展之间的耦合关系，为阐明孔隙形成机制提供了重要的实验支持。

基于此，我们使用人造纤维基碳纤维作为起始材料，以同步辐射SAXS/WAXS为核心表征技术，并结合氮吸附、拉曼光谱和液相分子吸附测量，系统研究了在0-180分钟CO₂活化过程中基于粘胶的活性炭纤维（VACFs）的全尺度结构演变规律，划分了孔结构演变的特征阶段，量化了活化过程中开放/闭合孔隙的动态变化，并建立了微观结构与宏观吸附性能之间的定量关联。本研究旨在揭示VACFs通过CO₂活化调控孔结构的潜在机制，为实现高性能VACFs的可控制备及其吸附性能的针对性优化提供了理论和实验基础。

章节摘录

材料与样品制备

本实验使用的样品是市面上购买的连续粘胶纤维（直径2毫米），密度为1.49克/立方厘米，线密度为0.1724克/米。

在250°C的空气气氛中预氧化1.5小时之前，原始粘胶纤维首先在10% (NH₄)₂HPO₄溶液中浸泡一小时进行催化处理。然后在800°C的氮气气氛中以80毫升/分钟的气流速率碳化60分钟，最终得到碳纤维。

孔结构演变

图1a显示了不同活化时间的基于粘胶的活性炭纤维（VACFs）的二维（2D）SAXS图案。未活化的碳纤维的散射图案呈现出明显的各向异性菱形特征，证实了纤维内部的天然孔隙沿纤维轴优先取向。随着活化时间的延长，2D散射图案逐渐从菱形转变为椭圆形。

结论

为了解决基于粘胶的人造纤维基活性炭纤维（VACFs）在CO₂活化过程中的研究瓶颈——即纳米孔隙演变机制不明确以及传统表征方法无法定量分析整个孔结构的问题，本研究采用了同步辐射小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）的联合技术，并结合了氮气物理吸附、元素分析和拉曼光谱。

本文的研究数据

支持本研究发现的原始数据可向相应作者索取。

CRediT作者贡献声明

Sizhao Xing：撰写——初稿、验证、研究、正式分析、概念构思。Guangshuo Wang：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、数据管理。Zhihong Li：软件开发、方法学、正式分析。Dongfeng Li：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取。Huanhuan Guo：数据可视化、监督、资源管理、项目管理。Lili Dong：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理、概念构思。Tianyu Li：

利益冲突声明

致谢

本项工作得到了邢台市科技局（2017GC20）和河北省碳基材料与应用技术创新中心（SG2021149）的支持。

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