碳质材料的气体吸附性能及其在空气净化中的应用

林舒媛，张儒静，姜 欣，杨婷婷，劳俊超，朱宏伟

（清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084）

碳质材料的气体吸附性能及其在空气净化中的应用

林舒媛，张儒静，姜 欣，杨婷婷，劳俊超，朱宏伟

（清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084）

面对日益突出的环境问题，具有稳定理化性质、高比表面积、多活性吸附位点的碳质材料可广泛应用于废气净化、水处理、溶剂回收等领域。本文重点综述了5种典型碳质材料：活性炭、活性炭纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯的制备方法、气体吸附性能及其在空气净化方面的应用。传统碳质材料、其改性产物及其复合材料具有优异的污染气体吸附性能，而纳米碳质材料兼具理想的吸附效果与特殊电学性能，可用于制备气体传感器，监测污染气体含量。最后展望了新型炭材料在空气净化中的研发和应用前景。

碳质材料；气体吸附；空气净化

1　前言

在工业化进程不断加快的背景下，能源问题、环境问题对人类健康的影响日益严重。近年来，针对空气污染、水污染等环境问题，开发相关新材料、新技术备受关注。吸附［1］、光催化［2，3］、等离子体［4］、负离子［5］等均是常见的空气净化技术。其中，吸附类空气净化技术应用广泛。在众多的吸附材料中，碳质材料，如活性炭、活性炭纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等由于具备优异的物理化学性质及热稳定性显得尤为突出。

传统碳质材料以活性炭、活性炭纤维为代表。活性炭是具有丰富孔隙结构、大比表面积（500～1 700 m2/g）的多孔碳质材料，具备优异的吸附能力，且化学稳定性好、易再生［6］。活性炭纤维孔径分布窄、孔径尺寸小、比表面积高达2 000 m2/g，吸附脱附快、吸附容量大。与活性炭相比，活性炭纤维在吸附低浓度吸附质时显示出较大优势［7］。

纳米碳质材料以碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯为代表。碳纳米纤维是一种纤维状纳米碳质材料，直径一般为3～100 nm，长度分布为0.1～1 000 μm［8］，是介于碳纳米管和普通炭纤维之间的一维碳质材料，具有比表面积大、尺寸稳定、缺陷较少等特点，是一种高效吸附剂［9］。碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的一维纳米材料，是直径＜100 nm的中空纤维，具有高表面吸附能力、良好的导电性和电子弹道传输特性［10］。石墨烯具有独特的单原子层二维结构，比表面积高达2 600 m2/g，具有良好的的力学、电学、物理和化学性能［11］，其特殊的石墨表面与高比表面积使其成为性能良好的吸附剂。石墨烯、氧化石墨烯及其复合材料在水处理、空气净化、溶剂回收等方面应用广泛［12，13］。

与传统碳质材料相比，纳米碳质材料兼具优异吸附性能及良好导电性，逐渐成为制作微型化、低功耗气体传感器的理想材料［14］。该类型气体传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小、能耗低和室温下工作等优点，有助于对污染气体的监测［15］。近年来，世界范围内已广泛开展了纳米碳质材料传感器的研究工作，并取得了许多显著成果。

本文综述了5种典型碳质材料的制备方法及其吸附性能，总结了碳质材料在污染气体的吸附与监测方面具有的有益价值，并展望了其在空气净化方面的应用前景。

2　碳质材料吸附

2.1活性炭

2.1.1活性炭的制备

活性炭是利用木屑［16］、橄榄石［17］、核桃壳［17］等果壳及煤炭［18］、石油焦［19］等为原料，经高温炭化，并通过物理或化学活化制备成黑色粉末状或颗粒状碳质材料。制备活性炭所采用的原材料、生产工艺（活化技术）、后处理方法（改性技术），对活性炭的物理特性与化学特性具有重要影响。其中，物理特性包括活性炭的孔隙结构、比表面积，化学特性包括活性炭表面的官能团等［20］。

活化技术主要指生产活性炭的工艺步骤，包括物理活化即先炭化再用氧化性气体加热活化形成发达微孔结构，以及化学活化即在原料中加入活化剂，再同时炭化与活化，调节孔结构［21］。改性技术为活性炭的后处理步骤，包括物理改性即通过高温加热改变活性炭比表面积、孔结构等，以及化学改性即通过氧化改性、还原改性、负载改性、等离子体改性等手段改变活性炭表面官能团等［22］。

2.1.2活性炭在空气净化方面的应用

活性炭比表面积大（约500～1 700 m2/g）、孔隙结构丰富、吸附作用强。当活性炭接触气体污染物时，其孔周围强大的吸附力场将会吸入气体污染物，达到净化空气的作用［23］。

（1）传统活性炭

活性炭是水处理或空气净化中常见的吸附剂。现已有大量关于活性炭吸附性能、吸附原理的实验或模拟研究。Bansode［24］等利用水蒸气、CO2、H3PO4活化美洲山核桃壳所制的活性炭并用H3PO4活化杏仁壳所制备的活性炭，研究其对挥发性有机物（VOCs）的吸附效果并探讨不同活化方法对VOCs吸附效果的影响。

（2）活性炭复合材料

在活性炭吸附的基础上增加光催化剂TiO2制备复合材料，可提高其对污染物的吸附性能。Hou等制备了超临界处理的TiO2-活性炭复合材料（Sc-TiO2-Ac），并对其进行了CH3CHO吸附实验。结果表明，该复合材料对CH3CHO的吸附分解能力远高于单独活性炭，原因在于光催化剂和活性炭之间存在“协同效应”，促进了CH3CHO的吸附与光催化分解［25］。

（3）改性活性炭

改性活性炭可用于吸附SO2，NOx，H2S，CO2等有害气体以及VOCs等有害物质，在环境保护、空气净化方面应用广泛。烟气中常含有SO2、NO2等污染气体，Sumathi等制备了CeO2、V2O5、NiO、Fe2O3等金属氧化物改性活性炭，并比较了其对SO2、NO2的吸附效果。结果表明，金属氧化物改性活性炭的吸附效果优于原始活性炭的吸附效果。其中CeO2催化作用最佳，在同时吸附SO2、NO2方面表现出较大的优势［26］。Tsai等将活性炭浸入NaOH溶液，研究NaOH改性活性炭对H2S的吸附效果。结果表明，利用NaOH等碱性物质活化原始活性炭会增加其对酸性气体，如H2S的吸收，这主要与NaOH和SO2间的酸碱化学反应有关［27］。图1为KOH改性前后，核桃壳所制备的颗粒活性炭的扫描电子显微镜照片。

2.2活性炭纤维

2.2.1活性炭纤维的制备

与粉末状和颗粒状活性炭相比，活性炭纤维具有更高的比表面积、更快的吸附速度且易于处理［28］。目前，活性炭纤维可由有机纤维、树脂、天然植物纤维等经炭化制得，表面具有孔径分布窄而均匀的微孔结构，可用于污水处理、废气吸附、空气净化等。

2.2.2活性炭纤维在空气净化方面的应用

（1）传统活性炭纤维

活性炭纤维对无机气体如H2S、NO、NO2、SO2等均有良好的吸附能力。Feng等研究了干燥、缺氧环境下，活性炭纤维表面孔结构及化学性质对吸附H2S的影响［29］。

活性炭纤维对有机气体如苯、丙酮、环乙烷等VOCs也有很好的吸附效果。Cal等开展实验及模拟研究，描述了活性炭纤维对苯、丙酮等的吸附过程。结果表明，活性炭纤维比颗粒活性炭在吸附VOCs上具有更好的吸附能力且对低浓度的VOCs有理想的去除效果，可用于减少室内空气污染物［30］。

（2）活性炭纤维复合材料

活性炭纤维也可负载光催化剂TiO2制备复合材料。活性炭纤维用来吸附低浓度的空气污染物，TiO2用于光催化分解富集于活性炭纤维的空气污染物，直至转化为无害物质，达到空气净化的目的。Guo等研究了活性炭纤维/TiO2复合材料对甲苯的吸附及光催化氧化，并探讨了相对湿度对氧化速度及中间积累的影响，结果表面该复合材料在吸附降解甲苯过程中无钝化行为且15％～60％湿度将加速该净化进程［31］。Mo等通过钛酸四丁酯水解制备氮等离子体改性的活性炭纤维/TiO2复合材料，并探讨其对HCHO的吸附分解。结果表明，该复合材料吸附速率快，光催化效率高，且氮等离子体改性作用，增加了O2-及O-2，加强了活性炭纤维/TiO2复合材料对HCHO的降解效果［32］。图2为不同含量TiO2/活性炭纤维毡的扫描电子显微镜图。

图1　扫描电子显微镜照片：（a）核桃壳所制备的颗粒活性炭；（b）质量浓度为50％KOH溶液改性的橄榄壳所制备的颗粒活性炭［17］Fig.1 SEM images of（a）walnut shell（WSC）and（b）olive pit（OPC）granular carbons prepared by activation with an aqueous solution of 50 wt％KOH［17］.

图2　不同含量TiO2/活性炭纤维毡的扫描电子显微镜照片：（a）35％TiO2-活性炭纤维毡（b）29％TiO2-活性炭纤维毡［33］Fig.2 SEM images of activated carbon fiber blankets（ACFB）samples loaded with different TiO2contents：（a）35％TiO2ACFB and（b）29％TiO2ACFB［33］.

（3）改性活性炭纤维

改性活性炭纤维是通过氧化还原改性、等离子体改性、负载改性等方法改变活性炭纤维的比表面积、含氧官能团、物理化学性能来提高其催化效率及空气净化能力。

Yun等研究发现，活性炭纤维经CuSO4改性后，改性活性炭纤维对VOCs的吸附量大于未改性的活性炭纤维且对极性VOC的吸附能力比非极性VOC大［34］。Wang等将金属负载于活性炭纤维上，导致吸附活性位点数量增加，改性活性炭纤维对SO2的吸附容量及去除效率提升显著。在45℃条件下，用负载锆的活性炭纤维吸附216 h，SO2去除比例高达87％［35］。

2.3碳纳米纤维

2.3.1碳纳米纤维的制备

早在1889年，Hughes与Chambers发现含碳气体与高温金属表面发生相互作用时，产物中有炭纤维存在［36］。由此，碳纳米纤维的制备、性能及应用成为研究的热点。碳纳米纤维具有大孔隙、高比表面积、表面可调控性、尺寸稳定性及优越的传输特［37］。目前制备碳纳米纤维的方法主要有：化学气相沉积（CVD）法、静电纺丝法、电弧法、激光烧蚀法等。

2.3.2碳纳米纤维在空气净化方面的应用

（1）碳纳米纤维直接用于气体（SO2、甲苯、NO、HCHO、CH3CHO）的吸附与降解

碳纳米纤维膜由于具有高比表面积及多孔结构而广泛应用于气体的吸附及分离领域。在其制备方法中，静电纺丝法制备碳纳米纤维由于操作简便、成本较低、工艺可控，可进行大批量制备，因而受到推广与应用。Song［38］等利用静电纺丝PAN炭化成多孔碳纳米纤维吸附SO2，效果明显且可持久使用。Oh［39］等研究了静电纺丝PAN经炭化、活化后制备的碳纳米纤维对甲苯等VOCs的吸附性能，结果表面碳纳米纤维具有高比表面积、大孔隙、低O/C比，对甲苯等具有很显著的吸附效果。Bai［40］等用HNO3及HNO3/H2SO4混合液氧化静电纺丝法所制备的碳纳米纤维，增加了其表面的官能团，提高了其对苯、丁酮、乙醇等有机物的吸附能力。将碳纳米纤维与其他材料结合制备复合材料，可提高其对有害气体的阻隔、吸收和降解。Guo［41］等将静电纺丝PAN炭化制备的碳纳米纤维与RGO复合，研究了该多孔性复合材料对NO的吸附及氧化。Wang等将静电纺PAN炭化、活化及石墨化后，研究其对NO的吸附及氧化性能，对室温下去除空气中氮氧化物含量具有积极的影响［42］。Lee等静电纺丝PAN炭化成碳纳米纤维，利用其表面大量多孔结构及丰富的含氮官能团吸附HCHO等室内污染气体，即使在湿润条件下也具有很理想的吸附效果［43］。Kim将TiO2加入PAN碳纳米纤维中，在紫外光照射下，该复合材料显现出对CH3CHO良好的吸附和催化降解性能［44］。

（2）基于碳纳米纤维的气体传感器

碳纳米纤维与其他材料复合制备气体传感器，可用于污染气体的检测。Im等制备了碳纳米纤维/炭黑复合材料，经高温KOH化学处理后，增强多孔结构，提高了其吸附NO及CO的敏感度［45］。此外，半导体氧化物结合纳米结构常被用于检测有毒气体或蒸气。Lee等制备了PAN碳纳米纤维/ ZnO2/SnO2复合材料，并用作类神经毒气DMMP的气体传感器，该复合结构对DMMP的检测具有灵敏度高、响应快、微型化等特点，对神经类毒气快速探测提供了有效途径［46］。

2.4碳纳米管

2.4.1碳纳米管的制备

1991年Iijima发现了碳纳米管［47］。近年来，碳纳米管及其复合材料备受关注，大量研究表明CNTs具有独特的电学、力学、物理及化学性能。碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，具有无缝管状结构。其管壁上的碳原子均通过sp2杂化或少量sp3杂化与周围的3个碳原子形成六边环。碳纳米管按结构可分为单壁碳纳米管与多壁碳纳米管。其主要制备方法为电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积（CVD）法、模版法、溶剂热法、电化学合成法等。

2.4.2碳纳米管在空气净化方面的应用

（1）单壁/多壁碳纳米管直接用于气体（香烟烟雾、NOx、CO2、苯等）的吸附

由于碳纳米管具有多孔、中空结构、比表面积大、密度小，与污染气体分子间有强连接作用，因此利用碳纳米管去除气体或水溶液污染物成为研究的热点［48］。目前已有大量实验、理论计算及分子模拟表征碳纳米管的气体吸附原理及应用［49］。Long等通过实验表明碳纳米管用于NOx吸附具有高效的去除效果，同时也可吸收SO2、CO2等气体，但吸附速度及吸附量不及前者［50］。Cinke等研究表明，在0～200℃温度范围内，单壁碳纳米管对CO2的吸附量是活性炭的2倍，可用于温室气体检测［51］。Huang等比较了单壁碳纳米管、活性炭、分子筛13X、MOFs对等摩尔CH4/CO2二元气体混合物的吸附性能，发现单壁碳纳米管对CO2有较高的吸附选择性［52］。Omidfar等研究了不同直径多壁碳纳米管对CO2的吸附效果。结果表明，CO2吸附量随多壁碳纳米管直径的增加而增大，同时对多壁碳纳米管进行CH4N2O改性，增加表面胺基含量可提高其对CO2的吸附能力［53］。除温室气体外，VOCs对人类健康、环境质量均有较大的危害。Javid等模拟了单壁碳纳米管对于苯气体分子的吸附效果，计算结果表明碳纳米管（7，7）较碳纳米管（9，9）对苯气体分子吸附更有效，更适用于空气净化中苯气体分子的去除［54］。Chen等研究发现氧化碳纳米管对香烟烟气中的尼古丁和焦油有高效的吸附效果，每根香烟烟气仅需20～30 mg氧化碳纳米管即可去大部分的尼古丁和焦油［55］。Girão等进一步分析了单壁碳纳米管吸附香烟烟气时，尼古丁分子与碳纳米管间的相互作用情况，为碳纳米管对香烟烟气成分的吸附提供理论支持。结果表明，与原始碳纳米管或羧基化的碳纳米管相比，含有空位的碳纳米管与尼古丁分子间的吸引更为强烈［56］。

（2）基于碳纳米管的气体传感器

碳纳米管用于气体传感器的研究始于2000年，Kong等研究发现气体分子吸附于单壁碳纳米管可增加或减少半导体碳纳米管的电阻［57］。图3为一种电阻式单壁碳纳米管气体传感器。同年，Collins等发现单壁碳纳米管在空气尤其氧气环境下，半导体性的碳纳米管可转变为金属性的碳纳米管。表明氧气对碳纳米管的电性能影响较大，同时也表明碳纳米管可作为气体传感器［58］。如何利用碳纳米管制备气体传感器，检测微量污染或毒性气体如NH3、NO2、SO2、CO、H2S、CH4、NO、DMMP等，已成为近年来研究的热点，Kauffman对此进行了相关综述［59］。此外，Liu等将单壁碳纳米管用金属配合物改性碳纳米管，即碳纳米管卟啉化，研究其对VOCs的检测与鉴定，结果表明该种卟啉-碳纳米管复合材料对VOCs的识别灵敏度高、准确性好，在环境检测、安全监测、医疗诊断方面具有理想的应用前景［60］。Qi等制备碳纳米管/纤维素复合气凝胶，与碳纳米管/聚合物相比，该种3D多孔结构提高了VOCs的吸附量，提高了VOCs检测效率［61］。Shi等制备四氟喹酮功能化的改性单壁碳纳米管，并在室温下对其进行气体吸附研究，结果表明，该改性单壁碳纳米管表面的酸羟基与HCHO具有相互作用，对其具有选择性吸附且效果明显［62］。Xie等用氨基改性的多壁碳纳米管检测微量HCHO含量。结果表明，多壁碳纳米管表面与氨基的相互作用导致其对HCHO具有选择性吸收，且对低含量的监测显示出较高的灵敏度［63］。

图3　电阻式单壁碳纳米管气体传感器［64］Fig.3 A resistance type of SWCNT gas sensor［64］.

2.5石墨烯

2.5.1石墨烯的制备

2004年，Geim和Novoselov成功从石墨中剥离出石墨烯［65］。石墨烯是由单层sp2杂化的碳原子紧密堆叠而成的二维蜂窝状晶体结构，因具有优异的光学、电学、力学、热学性能而成为研究热点。石墨烯的二维单原子结构、高比表面积、良好化学稳定性及机械性能等特点使其成为一种理想的吸附材料，吸附重金属离子、染料粒子、有机物及污染气体等，广泛应用于水处理及空气净化等领域［66］。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积（CVD）法、氧化还原法、外延生长法、超声分散法、有机合成法、溶剂热法等。

2.5.2石墨烯在空气净化方面的应用

（1）石墨烯直接用于气体（CH4、NH3、CO、NOx、SO2、H2S、HCHO）的吸附

石墨烯、改性石墨烯、石墨烯基复合材料均可用于气体物理吸附、化学吸附，在污染治理、空气净化方面均有积极的意义。Kemp等综述了石墨烯及改性石墨烯对CO2、CH4等温室气体的物理吸附，以及对NOx、SO2、H2S、CO和VOCs等重要气态污染物的化学吸附［67］。Kong等综述了表征石墨烯表面分子吸附的各类模拟实验，分析了气体小分子（H2O、H2、O2、CO、NO、NO2、NH3）、芳香族、非芳香族分子（F4-TCNQ、PTCDA、TPA、Na-NH2、An-CH3、An-Br、PEI及重氮盐）以及生物分子在石墨烯表面的吸附以及其对石墨烯电子结构、电导率等的影响［68］。Yu等总结了石墨烯对气体分子、有机物及金属离子的吸附及去除作用，展望了石墨烯或石墨烯复合材料在环境净化方面的应用前景［69］。如图4所示，Hong等制备了石墨烯负载C/Co核壳与碳纳米球壳结构即构成Co/C-GNS与CNS-GNS结构，实验表明该结构增大了接触表面积、增强了多孔性，可吸附有毒气体或烟气［70］。除了石墨烯膜外，Liang等利用聚乙烯亚胺原位还原氧化石墨烯，经冷冻干燥制备了胺基化改性石墨烯气凝胶，由于该石墨烯气凝胶比表面积大、高孔隙率、化学吸附位点多，在吸附HCHO气体效果极佳［71］。

图4　Co/C-GNS与CNS-GNS结构的示意图［70］Fig.4 Schematic illustration of the synthesis routes for the Co/C-GNS and CNS-GNS hybrids［70］.

（2）基于石墨烯的气体传感器

石墨烯具有大比表面积及高电子迁移率，是做气体传感器的理想材料。2007年，Schedin等首次发现了石墨烯对单个气体分子的吸附及单个气体分子对石墨烯电子迁移率的影响［72］。现已有大量研究将不同制备方法所得的石墨烯通过器件单独加工或与其他材料复合制得气体传感器。

机械剥离石墨烯是获得高质量石墨烯的有效方法，但产量低且较少与其他半导体材料复合。该种方法制得的石墨烯灵敏度高，吸附微量气体后电导率变化明显，常用于不同气体分子的监测。CVD法石墨烯工艺可控，可制备得到大面积、高质量的石墨烯，且基底间转移仍可保持透光性及导电性。可将该类石墨烯进行表面掺杂修饰以调控能带结构或表/界面特性，获得更为优异的气敏性能。氧化还原石墨烯成本低、产量大，且可通过控制氧化石墨烯的还原程度调控氧化还原石墨烯表面官能团数量。其应用形式灵活，可利用氧化石墨烯可溶性特质运用旋涂、电泳等薄膜技术进行再加工。Yuan等根据石墨烯基气体传感器中石墨烯种类，按机械剥离石墨烯、CVD石墨烯、氧化还原石墨烯（RGO）、外延生长石墨烯、改性石墨烯、石墨烯/聚合物复合材料、石墨烯/金属复合材料等分类，综述了NO2、CO、CO2、 H2S、DMMP、甲苯等各类气体传感器［73］。Basu等根据石墨烯基气体传感器装置种类，按电阻、场效应晶体管、表面微波、石英晶体微天平、微机电系统平台分类，综述了NO2、NO、CO、CO2、H2S、DMMP、二硝基甲苯等各类气体传感器［74］。除此之外，Toda等综述了近年来氧化石墨烯制备NO2、H2、NH3、H2S及有机物蒸汽等气体传感器的机理及应用，结果表明，宏观上氧化石墨烯的电学、光学特性随所吸附气体而变化，微观上石墨烯表面含氧官能团促进其与气体分子间的相互作用［75］。

3　结论

本文综述了5种碳质材料（活性炭、活性炭纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯）及其改性产物与复合材料的制备方法，以及其应用于气体吸附、空气净化方面的相关研究。图5总结了5种碳质材料的结构及其吸附气体的种类。碳质材料具备稳定的理化性质、大比表面积、多活性吸附位点，可很好地应用于空气净化领域。传统碳质材料（如活性炭、活性炭纤维等）具有优异的吸附性能，常用于吸附污染气体、有毒气体等方面。纳米碳质材料（如碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等）兼具理想的吸附效果与特殊电学性能，还可用于制备气体传感器，监测污染气体含量，在空气净化方面具有很高的应用价值。

如图6所示，在环境治理方面，除空气净化外，碳质材料也广泛应用于吸附溶液中重金属离子、吸附染料、有机溶剂回收等领域。传统碳质材料如活性炭纤维吸附容量大，吸附脱附快且彻底，可用于回收活性溶剂，回收效率高；而纳米碳质材料（如石墨烯）可应用于脱盐（海水淡化）领域，具有重要的实用价值。此外，碳质材料也被应用于固体吸附方面，如烟尘、胶体颗粒的吸附。

随着社会进步与科技发展，新的环境问题不断涌现，危及人类健康，亟待解决。对碳质材料的制备及应用也有了更高的要求与期待。例如，面对当前严重的雾霾问题，有待开发新型碳质材料或根据现有碳质材料提出新的结构设计、复合方法以吸附过滤PM2.5等污染物。碳质材料在环境应用中势必发挥越来越重要的作用。

图5　5种碳质材料的结构及其对气体的吸附Fig.5 Structures of carbon materials and their gas adsorption.

图6　碳质材料在环境治理方面的应用Fig.6 Applications of carbon materials in environmental remediation.

［1］Kern H，Taferner M，Raupenstrauch H.Effectiveness of improvised gas absorption techniques for emergency responders at releases of toxic gases［J］.Process Safety Progress，2015，34（2）：154-156.

［2］Hay S O，Obee T，Luo Z，et al.The viability of photocatalysis for air purification［J］.Molecules，2015，20（1）：1319-1356.

［3］Zhong L，Haghighat F.Photocatalytic air cleaners and materials technologies-Abilities and limitations［J］.Building and Environment，2015，91：191-203.

［4］Brandenburg R，Kovaĉevic V V，Schmidt M，et al.Plasma-based pollutant degradation in gas streams：status，examples and outlook ［J］.Contributions to Plasma Physics，2014，54（2）：202-214.

［5］Wu Y，Chen Y，Yu K，et al.Deposition removal of monodisperse and polydisperse submicron particles by a negative air lonizer［J］.Aerosol and Air Quality Research，2015，15：994-1007.

［6］Sircar S，Golden T C，Rao M B.Activated carbon for gas separation and storage［J］.Carbon，1996，34（1）：1-12.

［7］Zhang L，Aboagye A，Kelkar A，et al.A review：carbon nanofibers from electrospun polyacrylonitrile and their applications ［J］.Journal of Materials Science，2014，49（2）：463-480.

［8］De Jong K P，Geus J W.Carbon nanofibers：catalytic synthesis and applications［J］.Catalysis Reviews，2000，42（4）：481-510.

［9］Jang J，Bae J，Choi M，et al.Fabrication and characterization of polyaniline coated carbon nanofiber for supercapacitor［J］.Carbon，2005，43（13）：2730-2736.

［10］Mamo M A，Mishra A K.Carbon nanotubes in the removal of heavy metal ions from aqueous solution［J］.Application of Nanotechnology in Water Research，2014：153-181.

［11］Bonaccorso F，Colombo L，Yu G，et al.Graphene，related twodimensional crystals，and hybrid systems for energy conversion and storage［J］.Science，2015，347（6217）：1246501.

［12］Zhang R，Cao Y，Li P，et al.Three-dimensional porous graphene sponges assembled with the combination of surfactant and freeze-drying［J］.Nano Research，2014，7（10）：1477-1487.

［13］Sun P，Wang K，Wei J，et al.Effective recovery of acids from iron-based electrolytes using graphene oxide membrane filters［J］.Journal of Materials Chemistry A，2014，2（21）：7734-7737.

［14］Yunus I S，Harwin，Kurniawan A，et al.Nanotechnologies in water and air pollution treatment［J］.Environmental Technology Reviews，2012，1（1）：136-148.

［15］Llobet E.Gas sensors using carbon nanomaterials：A review［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2013，179：32-45.

［16］Hameed B H，Rahman A A.Removal of phenol from aqueous solutions by adsorption onto activated carbon prepared from biomass material［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，160（2）：576-581.

［17］Martinez M L，Torres M M，Guzman C A，et al.Preparation and characteristics of activated carbon from olive stones and walnut shells［J］.Industrial Crops and Products，2006，23（1）：23-28.

［18］Ahmadpour A，Do D D.The preparation of active carbons from coal by chemical and physical activation［J］.Carbon，1996，34（4）：471-479.

［19］Kawano T，Kubota M，Onyango M S，et al.Preparation of activated carbon from petroleum coke by KOH chemical activation for adsorption heat pump［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28（8）：865-871.

［20］Ruthven D M.Principles of adsorption and adsorption processes ［M］.John Wiley&Sons，1984.

［21］Omri A，Benzina M，Ammar N.Preparation，modification and industrial application of activated carbon from almond shell［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2013，19（6）：2092-2099.

［22］Yin C Y，Aroua M K，Daud W M A W.Review of modifications of activated carbon for enhancing contaminant uptakes from aqueous solutions［J］.Separation and Purification Technology，2007，52（3）：403-415.

［23］Shi H.Activated carbons and double layer capacitance［J］.Electrochimica Acta，1996，41（10）：1633-1639.

［24］Bansode R R，Losso J N，Marshall W E，et al.Adsorption of volatile organic compounds by pecan shell-and almond shellbased granular activated carbons［J］.Bioresource Technology，2003，90（2）：175-184.

［25］Hou H，Miyafuji H，Saka S.Photocatalytic activities and mechanism of the supercritically treated TiO2-activated carbon composites on decomposition of acetaldehyde［J］.Journal of Materials Science，2006，41（24）：8295-8300.

［26］Sumathi S，Bhatia S，Lee K T，et al.Selection of best impregnated palm shell activated carbon（PSAC）for simultaneous removal of SO2and NOx［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，176（1）：1093-1096.

［27］Tsai J，Jeng F，Chiang H.Removal of H2S from exhaust gas by use of alkaline activated carbon［J］.Adsorption，2001，7（4）：357-366.

［28］Suzuki M.Activated carbon fiber：fundamentals and applications［J］.Carbon，1994，32（4）：577-586.

［29］Feng W，Kwon S，Borguet E，et al.Adsorption of hydrogen sulfide onto activated carbon fibers：effect of pore structure and surface chemistry［J］.Environmental Science&Technology，2005，39（24）：9744-9749.

［30］Cal M P，Larson S M，Rood M J.Experimental and modeled results describing the adsorption of acetone and benzene onto activated carbon fibers［J］.Environmental Progress，1994，13（1）：26-30.

［31］Guo T，Bai Z，Wu C，et al.Influence of relative humidity on the photocatalytic oxidation（PCO）of toluene by TiO2loaded on activated carbon fibers：PCO rate and intermediates accumulation［J］.Applied Catalysis B：Environmental，2008，79（2）：171-178.

［32］Mo D，Ye D.Surface study of composite photocatalyst based on plasma modified activated carbon fibers with TiO2［J］.Surface and Coatings Technology，2009，203（9）：1154-1160.

［33］Lee J S，Kwon O S，Park S J，et al.Fabrication of ultrafine metal-oxide-decorated carbon nanofibers for DMMP sensor application［J］.ACS Nano，2011，5（10）：7992-8001.

［34］Yi F，Lin X，Chen S，et al.Adsorption of VOC on modified activated carbon fiber［J］.Journal of Porous Materials，2009，16（5）：521-526.

［35］Wang J Y，Zhao F Y，Hu Y Q，et al.Modification of activated carbon fiber by loading metals and their performance on SO2removal［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2006，14（4）：478-485.

［36］Edison T A.Manufacture of carbon filaments：U.S.Patent 525，007［P］.1894-8-28.

［37］Jang J，Bae J，Choi M，et al.Fabrication and characterization of polyaniline coated carbon nanofiber for supercapacitor［J］.Carbon，2005，43（13）：2730-2736.

［38］Song X，Wang Z，Li Z，et al.Ultrafine porous carbon fibers for SO2adsorption via electrospinning of polyacrylonitrile solution［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2008，327（2）：388-392.

［39］Oh G，Ju Y，Kim M，et al.Adsorption of toluene on carbon nanofibers prepared by electrospinning［J］.Science of the Total Environment，2008，393（2）：341-347.

［40］Bai Y，Huang Z，Kang F.Surface oxidation of activated electrospun carbon nanofibers and their adsorption performance for benzene，butanone and ethanol［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2014，443：66-71.

［41］Guo Z，Huang Z，Wang M，et al.Graphene/carbon composite nanofibers for NO oxidation at room temperature［J］.Catalysis Science&Technology，2015，5（2）：827-829.

［42］Wang M，Huang Z，Shen K，et al.Catalytically oxidation of NO into NO2at room temperature by graphitized porous nanofibers［J］.Catalysis Today，2013，201：109-114.

［43］Lee K J，Shiratori N，Lee G H，et al.Activated carbon nanofiber produced from electrospun polyacrylonitrile nanofiber as a highly efficient formaldehyde adsorbent［J］.Carbon，2010，48（15）：4248-4255.

［44］Kim S，Lim S K.Preparation of TiO2-embedded carbon nanofibers and their photocatalytic activity in the oxidation of gaseous acetaldehyde［J］.Applied Catalysis B：Environmental，2008，84（1）：16-20.

［45］Im J S，Kang S C，Lee S，et al.Improved gas sensing of electrospun carbon fibers based on pore structure，conductivity and surface modification［J］.Carbon，2010，48（9）：2573-2581.

［46］Lee J S，Kwon O S，Park S J，et al.Fabrication of ultrafine metal-oxide-decorated carbon nanofibers for DMMP sensor application［J］.ACS Nano，2011，5（10）：7992-8001.

［47］Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354（6348）：56-58.

［48］Ren X，Chen C，Nagatsu M，et al.Carbon nanotubes as adsorbents in environmental pollution management：a review［J］.Chemical Engineering Journal，2011，170（2）：395-410.

［49］Chen C，Hu J，Shao D，et al.Adsorption behavior of multiwall carbon nanotube/iron oxide magnetic composites for Ni（II）and Sr（II）［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，164（2）：923-928.

［50］Long R Q，Yang R T.Carbon nanotubes as a superior sorbent for nitrogen oxides［J］.Industrial&Engineering Chemistry Research，2001，40（20）：4288-4291.

［51］Cinke M，Li J，Bauschlicher C W，et al.CO2adsorption in single-walled carbon nanotubes［J］.Chemical Physics Letters，2003，376（5）：761-766.

［52］Huang L，Zhang L，Shao Q，et al.Simulations of binary mixture adsorption of carbon dioxide and methane in carbon nanotubes：temperature，pressure，and pore size effects［J］.The Journal of Physical Chemistry C，2007，111（32）：11912-11920.

［53］Omidfar N，Mohamadalizadeh A，Mousavi S H.Carbon dioxide adsorption by modified carbon nanotubes［J］.Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering，2015：1925.

［54］Javid A H，Gorannevis M，Moattar F，et al.Modeling of benzene adsorption in the gas phase on single-walled carbon nanotubes for reducing air pollution［J］.International Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2013，9（4）：227-234.

［55］Chen Z，Zhang L，Tang Y，et al.Adsorption of nicotine and tar from the mainstream smoke of cigarettes by oxidized carbon nanotubes［J］.Applied Surface Science，2006，252（8）：2933-2937.

［56］Girão E C，Fagan S B，Zanella I，et al.Nicotine adsorption on single wall carbon nanotubes［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，184（1）：678-683.

［57］Kong J，Franklin N R，Zhou C，et al.Nanotube molecular wires as chemical sensors［J］.Science，2000，287（5453）：622-625.

［58］Collins P G，Bradley K，Ishigami M，et al.Extreme oxygen sensitivity of electronic properties of carbon nanotubes［J］.Science，2000，287（5459）：1801-1804.

［59］Kauffman D R，Star A.Carbon nanotube gas and vapor sensors ［J］.Angewandte Chemie International Edition，2008，47（35）：6550-6570.

［60］Liu S F，Moh L C，Swager T M.Single-walled carbon nanotube-metalloporphyrin chemiresistive gas sensor arrays for volatile organic compounds［J］.Chemistry of Materials，2015，27（10）：3560-3563.

［61］Qi H，Liu J，Pionteck J，et al.Carbon nanotube-cellulose composite aerogels for vapour sensing［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2015，213：20-26.

［62］Shi D，Wei L，Wang J，et al.Solid organic acid tetrafluorohydroquinonefunctionalizedsingle-walledcarbonnanotube chemiresistive sensors for highly sensitive and selective formaldehyde detection［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2013，177：370-375.

［63］Xie H，Sheng C，Chen X，et al.Multi-wall carbon nanotube gas sensors modified with amino-group to detect low concentration of formaldehyde［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2012，168：34-38.

［64］Li J，Lu Y，Ye Q，et al.Carbon nanotube sensors for gas and organic vapor detection［J］.Nano Letters，2003，3（7）：929-933.

［65］Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V，et al.Electric field effect in atomically thin carbon films［J］.Science，2004，306（5696）：666-669.

［66］Allen M J，Tung V C，Kaner R B.Honeycomb carbon：a review of graphene［J］.Chemical Reviews，2009，110（1）：132-145.

［67］Kemp K C，Seema H，Saleh M，et al.Environmental applications using graphene composites：water remediation and gas adsorption［J］.Nanoscale，2013，5（8）：3149-3171.

［68］Kong L，Enders A，Rahman T S，et al.Molecular adsorption on graphene［J］.Journal of Physics：Condensed Matter，2014，26（44）：443001.

［69］Yu J，Yu L，Yang H，et al.Graphene nanosheets as novel adsorbents in adsorption，preconcentration and removal of gases，organic compounds and metal ions［J］.Science of the Total Environment，2015，502：70-79.

［70］Hong N，Song L，Wang B，et al.Fabrication of graphene supported carbon coating cobalt and carbon nanoshells for adsorption of toxic gases and smoke［J］.Journal of Applied Polymer Science，2014，131（13）：40457.

［71］Liang J，Cai Z，Li L，et al.Scalable and facile preparation of graphene aerogel for air purification［J］.RSC Advances，2014，4（10）：4843-4847.

［72］Schedin F，Geim A K，Morozov S V，et al.Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene［J］.Nature Materials，2007，6（9）：652-655.

［73］Yuan W，Shi G.Graphene-based gas sensors［J］.Journal of Materials Chemistry A，2013，1（35）：10078-10091.

［74］Basu S，Bhattacharyya P.Recent developments on graphene and graphene oxide based solid state gas sensors［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2012，173：1-21.

［75］Toda K，Furue R，Hayami S.Recent progress in applications of graphene oxide for gas sensing：A review［J］.Analytica Chimica Acta，2015，878：43-53.

Gas adsorption properties of carbon materials and their applications in air purification

LIN Shu-yuan，ZHANG Ru-jing，JIANG Xin，YANG Ting-ting，LAO Jun-chao，ZHU Hong-wei
（School of Materials Science and Engineering，State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing，Tsinghua University，Beijing100084，China）

Carbon materials with stable physicochemical properties，high surface area and abundant active adsorption sites can be widely used in waste gas adsorption，water treatment，solvent recovery and other fields.The preparation methods，gas adsorption properties and usesof five carbon materials，activated carbons，activated carbon fibers，carbon nanofibers，carbon nanotubes and graphene，in air purification are summarized.Traditional carbon materials and their modified products and composites have excellent adsorption performance for waste gases.Nano-carbon materials have not only excellent potential applications，but also electrical properties that can be used to produce gas sensorsfor monitoringair pollution.The possible uses and prospects of novel carbon materials for air purification are discussed.

Carbon materials；Gas adsorption；Air purification

ZHU Hong-wei，Professor.E-mail：hongweizhu@tsinghua.edu.cn

TQ127.1

A

2015-10-28；

2015-12-01

朱宏伟，教授.E-mail：hongweizhu@tsinghua.edu.cn

1007-8827（2015）06-0502-09