La réactivation du carbone est un processus clé qui confère aux matériaux carbonés d’excellentes propriétés d’adsorption et d’activité de surface. Son essence réside dans la régulation de la microstructure et des propriétés chimiques de surface de la matrice carbonée par des moyens physiques ou chimiques, permettant ainsi la conception ciblée des fonctions du matériau. Au cours du processus de réactivation du carbone, la première étape est la décomposition thermique et la carbonisation du précurseur formant des unités structurelles de base d’anneaux hexagonaux de carbone disposés de manière aléatoire. Ces unités sont interconnectées par les forces de Van der Waals et les liaisons covalentes pour former la structure carbonée initiale. À ce stade, le matériau carboné présente généralement une faible surface spécifique et une structure à pores fermés, ce qui nécessite un développement ultérieur de son espace interne grâce au processus d'activation.
L'activation physique utilise de la vapeur, du dioxyde de carbone ou de l'air comme agents d'activation. Dans une plage de température de 800-1 100 degrés, les molécules d'agent d'activation subissent des réactions d'oxydation avec les atomes de carbone dans la charpente carbonée. Cet effet de gravure sélective se produit préférentiellement au niveau des sites actifs les plus énergétiques de la structure carbonée, par exemple les défauts, les liaisons insaturées, etc. Au fur et à mesure que la réaction d'activation se poursuit, les micropores initialement formés se dilatent couche par couche grâce à la gravure des parois des pores, et l'interconnexion entre les micropores adjacents forme des mésopores, construisant finalement un réseau de pores à plusieurs niveaux composé de micropores, les mésopores. Le contrôle précis de la température et du temps d'activation est crucial dans ce processus : une température trop basse entraînera une vitesse de réaction d'activation lente et un développement incomplet des pores ; tandis qu'une température trop élevée peut provoquer une combustion excessive du squelette carboné, réduisant ainsi la résistance mécanique et le rendement du matériau.
L'activation chimique consiste à introduire des agents chimiques avant ou pendant la carbonisation. Son mécanisme est plus complexe que l’activation physique et comprend des effets de déshydratation, catalytiques et de gravure. Par rapport à l'activation physique, l'activation chimique présente les avantages d'une température d'activation plus basse et d'une efficacité de réaction plus élevée, et l'introduction des agents modifie l'environnement chimique de surface du matériau carboné - par exemple, l'activation à l'acide phosphorique peut retenir plus de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène-, tandis que l'activation de l'hydroxyde de potassium a tendance à former des surfaces alcalines riches en électrons-.
La modification de la surface lors du processus de réactivation du carbone est un autre aspect important pour améliorer les propriétés spécifiques du matériau. Dans l'environnement à haute température -de la réaction d'activation, la surface du matériau carboné subit des réactions chimiques avec l'agent d'activation et les gaz d'impuretés dans l'atmosphère, formant de l'oxygène-contenant des groupes fonctionnels par exemple hydroxyle, carboxyle, etc., ainsi qu'une petite quantité de groupes azote et soufre. Les types et les quantités de ces groupes fonctionnels affectent directement la mouillabilité de la surface, les performances électrochimiques et la sélectivité d'adsorption du matériau carboné -. Par exemple, l'introduction de groupes carboxyle peut améliorer considérablement la capacité de chélation du matériau pour les cations de métaux lourds, tandis que la présence d'azote de type pyridine- peut améliorer son activité catalytique dans les réactions de réduction de l'oxygène. De plus, les défauts de surface (tels que les lacunes simples, les lacunes doubles et les défauts topologiques) générés au cours du processus d'activation fournissent des sites actifs abondants pour le matériau, démontrant des avantages uniques en matière de stockage d'énergie, de conversion catalytique et d'autres domaines.
Du mécanisme microscopique aux performances macroscopiques, le développement de la technologie de réactivation du carbone a toujours été basé sur la loi de corrélation de « structure - performances - application ». Grâce à l'application de techniques de caractérisation avancées telles que le rayonnement synchrotron et la microscopie électronique corrigée des aberrations-, les chercheurs ont acquis une compréhension plus approfondie du processus dynamique d'évolution des pores et du mécanisme de formation de groupes fonctionnels de surface au cours du processus d'activation, fournissant ainsi des conseils théoriques pour contrôler avec précision la microstructure des matériaux carbonés. À l'avenir, grâce à une simulation à plusieurs-échelles et à une conception expérimentale intelligente, la technologie de réactivation du carbone évoluera vers une direction plus verte et personnalisée, élargissant encore les limites de ses applications dans la gouvernance environnementale, les nouvelles énergies et la fabrication haut de gamme-.