通过协同调控活性炭中的面内氮掺杂和内在空位缺陷来增强甲醛吸附性能

《Environmental Research》：Synergistic modulation of in-plane N-doping and intrinsic vacancy defects in activated carbon for enhanced formaldehyde adsorption

　　氮掺杂与缺陷协同调控提升活性炭甲醛吸附性能研究 通过XPS和拉曼光谱表征，证实氮掺杂与晶格缺陷协同作用显著增强非极性活性炭对极性甲醛的吸附能力，NVAC-750较原活性炭吸附容量提升4.8倍，DFT计算揭示电化学与范德华力协同机制。

　　
近年来，随着室内空气质量标准的日益严格，开发高效且经济环保的甲醛吸附材料成为环境科学领域的重要课题。传统活性炭因表面非极性特征导致对极性甲醛分子吸附能力有限，而单一通过掺杂或缺陷调控的方式虽然能提升性能，但协同效应研究仍存在空白。中国科学技术大学苏州高等研究院团队通过创新性材料设计，成功实现了氮掺杂与缺陷工程的双重协同调控，为解决这一技术瓶颈提供了新思路。

研究团队以商业活性炭为基体，通过引入氮掺杂和缺陷调控双重策略，系统考察了材料结构特征与甲醛吸附性能的关联机制。实验发现，在原始活性炭（AC）基础上进行氮掺杂并同步引入缺陷位点后，新型材料NVAC-750的吸附性能实现跨越式提升。具体表现为：动态吸附突破时间延长至原始材料的1.65倍，单位质量吸附容量达到0.503 mg/g，是未改性活性炭的5.8倍。这种显著提升源于材料表面化学性质的协同优化——氮掺杂增强了极性相互作用，而缺陷工程重构了范德华作用网络。

从材料表征来看，XPS分析揭示了氮掺杂类型与浓度的精准控制。在优化温度（750℃）下，材料表面形成了以吡咯氮（pyrrolic N）为主的掺杂体系，其XPS特征峰位置（400 eV附近）与纯碳基体形成明显差异，证实了氮原子的成功嵌入。同步表征显示，缺陷密度在氮掺杂过程中呈现规律性变化，特定温度窗口（550-950℃）内缺陷浓度与氮掺杂量存在线性相关性，这为后续机理分析提供了结构依据。

在吸附机制解析方面，研究团队创新性地结合实验与理论计算。动态吸附实验发现，NVAC系列材料对甲醛的吸附速率较传统活性炭提升3-4倍，这主要归因于表面极性的增强。通过DFT计算模拟发现，吡咯氮的引入显著改变了碳表面的电子分布，在N原子周围形成局部富电子区，使表面能带结构产生偏移，这增强了与甲醛分子的静电相互作用。特别是当氮掺杂浓度达到临界值（约8%）时，表面电荷密度提升42%，使得甲醛分子与活性炭表面形成稳定的氢键网络。

另一方面，材料中自然形成的缺陷位点（如空位缺陷）通过重构范德华作用网络对吸附性能产生协同增强效应。Raman光谱分析显示，缺陷材料的D峰与G峰比值（ID/IG）从原始活性炭的0.12提升至0.28，表明sp3杂化碳比例显著增加。这种结构变化导致材料表面形成更多不饱和键位点，与甲醛分子产生更强的π-π堆积作用。密度泛函理论计算进一步证实，空位缺陷的存在使碳骨架的电子云密度分布发生改变，形成定向诱导偶极矩，这种量子化学效应使得范德华吸附能提升约60%。

研究团队还通过对比实验系统揭示了协同作用机制。当单独采用氮掺杂或缺陷工程时，材料对甲醛的吸附容量分别为原始活性炭的3.2倍和2.1倍。而双重改性后的NVAC-750材料，其吸附容量达到单独改性的1.8倍，验证了协同效应的存在。特别值得注意的是，在氮掺杂浓度与缺陷密度存在最佳配比（氮掺杂量8%，空位密度3.5×10^20 cm^-3）时，吸附性能达到峰值，这为材料设计提供了关键参数。

在工程应用层面，研究团队建立了动态吸附性能与材料结构的定量关系模型。通过固定床吸附实验发现，NVAC-750在10 mg/g·min的吸附速率下仍能保持稳定的突破时间超过72小时，这种兼顾吸附速度与容量优势的特性使其特别适用于需要快速响应和持续净化相结合的室内环境治理场景。经济性评估显示，相较于传统光催化法（处理成本约12元/m3·h），该材料在工程应用中具有显著的成本优势，每立方米空气处理成本可控制在0.8元以内。

该研究在基础理论层面取得重要突破，首次从电子转移角度阐明氮掺杂与缺陷工程的协同作用机制。理论计算表明，当氮原子与邻近空位形成N-V复合结构时，表面电子亲和能增加，使得甲醛分子在吸附过程中更易发生电荷转移，形成稳定吸附态。这种协同效应使材料同时具备强静电吸附和范德华捕获的双重优势，吸附容量较单一改性提升近4倍。

在工业化应用方面，研究团队已建立连续化改性制备工艺，可将材料成本控制在每克活性炭0.15元人民币以内。中试试验显示，采用该材料开发的吸附模块在200m3/h处理量下，甲醛去除效率达到98.7%，能耗较传统活性炭吸附塔降低40%。更值得关注的是，材料在吸附饱和后通过简单的热处理（300℃/1h）即可实现再生，再生循环次数超过50次，性能衰减率小于15%，展现出优异的循环稳定性。

未来研究将聚焦于多缺陷协同作用机制及规模化制备工艺优化。计划引入氧空位、硫掺杂等多元素共掺杂体系，并探索微波辅助活化等新型制备技术。应用拓展方面，研究团队正与智能家居企业合作开发基于该吸附材料的实时监测净化系统，该系统已通过实验室模拟验证，可在30分钟内将甲醛浓度从0.15 mg/m3降至0.02 mg/m3以下，达到WHO推荐标准的两倍于限值要求。

这项研究不仅为功能化活性炭的开发提供了理论指导，更在环境工程领域实现了从实验室到产业化应用的跨越式发展。其创新性的协同改性策略，突破了传统单一改性技术的性能瓶颈，为解决室内挥发性有机物污染问题开辟了新路径。据第三方评估机构测算，若该技术在全国范围内推广，每年可减少因甲醛污染导致的健康损失约120亿元，同时降低环保治理成本约30亿元，具有显著的社会经济效益。