Анализ пористой структуры активированных углей из скорлупы кокосового ореха, подготовленных при разных условиях

Преобразование кокосовой скорлупы в помощников климата

В то время как мир ищет пути замедлить изменение климата, одним из многообещающих подходов является непосредственное удаление диоксида углерода (CO₂) из воздуха или из промышленных выбросов. В этом исследовании показано, как что-то обыденное, например выброшенная кокосовая скорлупа, может быть превращено в высокоэффективные «губки» для CO₂ и как тонкая настройка технологии их получения существенно влияет на рабочие характеристики.

Почему поры важны для улавливания газа

Твердые вещества для улавливания CO₂ работают подобно сверхтонким губкам: чем больше мелких отверстий, или пор, они содержат, тем больше газа могут вместить. Активированный уголь уже широко используется, потому что внутри его пор скрыта огромная внутренняя поверхность. Авторы сосредоточились на улучшении таких углей для улавливания CO₂ путем введения атомов азота на их поверхность. Азотсодержащие группы склонны притягивать кислые газы, такие как CO₂, поэтому сочетание подходящей химии с оптимизированной сетью пор может значительно повысить эффективность.

От кокосовой скорлупы к высокотехнологичному материалу

Исходным материалом в этой работе служила кокосовая скорлупа — дешёвый и доступный сельскохозяйственный отход. Скорлупу очистили, измололи и сначала нагревали в атмосфере азота, чтобы получить базовый углеродистый материал. Затем следовал этап «аммоксидирования», при котором углерод обрабатывали смесью аммиака и воздуха, в результате чего на поверхности образовывались азотсодержащие группы. Наконец, материал активировали гидроксидом калия (KOH) при высокой температуре, что выедало лабиринт пор. Изменяя температуру активации (600, 650 или 700 °C) и массовое соотношение углерода и KOH, исследователи получили набор углей с тонкими различиями в структуре пор и поверхностных свойствах.

Заглядывая внутрь невидимой сети пор

Поскольку эти поры слишком малы, чтобы видеть их напрямую, команда использовала измерения адсорбции газов: они регистрировали, сколько азота угли могут удержать при очень низких температурах и разных давлениях. Исходя из этих кривых, применяли три современных аналитических метода, которые выходят за рамки старых упрощённых подходов. Один из них, называемый LBET, интерпретирует, как внутри пор нарастают слои и скопления молекул газа, и даёт показатель однородности или неоднородности поверхности. Два других, QSDFT и NLDFT, используют современную статистическую физику для реконструкции распределения объёма пор по размерам. QSDFT лучше справляется с шероховатыми, химически разнообразными поверхностями реальных углей, избегая артефактов, которые могут вводить в заблуждение разработчиков.

Поиск оптимума в условиях подготовки

Сравнение всех образцов показало, что и температура активации, и количество KOH сильно формируют конечную сеть пор. Угли, полученные при более низкой температуре или с недостаточным количеством активатора, имели меньше и менее доступных микропор, что ограничивало их ёмкость по газу. По мере увеличения температуры обработки и соотношения KOH внутренняя поверхность и объём микропор резко возрастали. Особенно выдающимися оказались материалы, активированные при 700 °C с промежуточными соотношениями KOH (обозначенные NC-700-3 и NC-700-4). Они обладали чрезвычайно большой внутренней поверхностью, большим объёмом наименьших пор, наиболее эффективных для улавливания CO₂, и — что важно — очень однородной поверхностью, то есть молекулы газа сталкиваются с похожими условиями в любом месте посадки.

Что это значит для будущего улавливания CO₂

Для неспециалистов ключевое послание заключается в том, что не все «активированные угли» одинаковы. Тщательно настраивая обработку кокосовой скорлупы — особенно температуру активации и химическое соотношение — и применяя более реалистичные аналитические инструменты, авторы выделили условия, создающие тонко настроенную сеть пор, идеальную для улавливания CO₂. Их лучшие материалы сочетают плотную популяцию крошечных пор с равномерным поведением поверхности, что делает их сильными кандидатами для недорогих, биобазированных фильтров в будущих системах улавливания углерода.

Цитирование: Kwiatkowski, M., Hu, X. Porous structure analysis of coconut shell–derived activated carbons prepared under different conditions. Sci Rep 16, 10220 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39432-4

Ключевые слова: улов CO2, активированный уголь, скорлупа кокоса, пористые материалы, легирование азотом