DOI:10.1002/cssc.202000520

本文研究了电纺聚丙烯腈（PAN）基碳纳米纤维（CNFs）的气体吸附性能。采用CO2吸附量测试表明，可以通过所施加的碳化温度来调节纤维的吸附能力和选择性。一般的碳纳米纤维的孔特性可通过Ar吸附测量确定，而CO2吸附测量提供了有关超微孔性、吸附能和吸附容量的信息。通过对N2和CO2单组分数据的评估，可以确定在实际相关条件下的理想吸附溶液理论（IAST）选择性。尤其是在低碳化温度下，CNFs表现出很好的低压吸附性能，在20 mbar时CO2/N2的选择性为350，在1 bar时为132，这归因于在非常窄的狭缝孔隙中的分子筛效应。这些IAST选择性代表了迄今为止文献中报道的碳材料的一些最高值，以及制备的、未经后处理的碳的最高IAST选择性。

图1：一些电纺PAN基碳纳米纤维的SEM（a-d）和TEM（e，f）图像。图像a，c和e显示了在600℃时碳化的纤维。图像b，d和f显示了在1000℃时碳化的纤维。

图2：电纺PAN基碳纳米纤维在600℃至1100℃碳化的XPS分析结果（有关光谱和积分，请参见图S2和S3）。（a）功能表面基团分数归一化至氮峰面积。（b）表面原子的总分数。

 图3：在87 K下电纺PAN基碳纳米纤维的Ar吸附等温线。（a）在600℃和700℃（C600和C700）下碳化的样品，（b）在800℃至1100℃（C800-C1100）下碳化的样品。（在（b）中，为清楚起见未显示解吸支链，但可在图S4中找到。）

图4：电纺PAN基碳纳米纤维在273 K、600℃至1100℃（C600至C1100）下碳化时的CO2吸附特性。（a）CO2吸附等温线（为清晰起见，未显示解吸分支，请参见图S6）。（b）通过Monte-Carlo-（MC）计算获得的累积孔径分布。

图5：电纺PAN基碳纳米纤维的吸附CO2量与BET面积（Ar）之比取决于碳化温度。（括号中的数据点是从未平衡的等温线获得的。）

 图6：电纺PAN基碳纳米纤维在273 K、600℃至1100℃（C600至C1100）下碳化时的CO2吸附特性。（a）碳化温度对可用微孔体积的影响。（b）小于0.4 nm的微孔体积与0.05 bar下的CO2吸附性能之间的关系。

图7：在0.05 bar下，电纺PAN基碳纳米纤维上的氮官能团对CO2吸附容量的影响。

图8：在600、800和1000℃下碳化的CNFs的Ar和CO2吸附特性的示意图。电纺PAN基碳纳米纤维在600℃至1100℃范围内的不同温度下碳化时的Ar和CO2吸附示意图。a）制备好的电纺碳纤维毡的示意图。b）放大碳纤维垫，显示随机取向的碳纤维。c）放大碳纤维垫，显示出单一，初纺碳纤维，其表面均匀且光滑。d）对单根碳纤维的详细视图，显示单个碳层，这些碳层用作狭缝孔，狭缝孔的宽度根据所施加的碳化温度而变化。e-g）对所研究的碳纳米纤维上出色的CO2吸附的示意图。由于减小的碳层距离，通过尺寸排阻即分子筛效应来防止单个气体分子的吸附。e）Ar和CO2都能进入碳层之间的超微孔。f）由于在800℃时碳化的孔径减小，因此Ar被排除在狭缝孔吸附之外。g）由于超微孔宽度的进一步减小，因此Ar和CO2都被排除在超微孔吸附之外。

图9：对于在600℃至1100℃（C600至C1100）的碳化温度下制备的电纺PAN基碳纳米纤维，273 K下CO2对N2（10:90）的压力依赖性IAST选择性。