与常规技术(例如吸附液体)相比，吸附技术去除对环境有毒气体(例如二氧化硫)具有多种优势，例如易于再生，维护成本低和工厂设计简单。因此，在最近几年中，已经研究了多种吸附剂，用于烟气洗涤应用。活性炭材料是用于二氧化硫回收的常用的吸附剂之一。在过去的二十年中，发现了一系列丰富的不同碳纳米材料。与活性炭不同的是，这些纳米材料具有明确的几何结构和明显的孔结构。在文中，研究了二氧化硫在不同碳纳米材料上的吸附，即碳纳米角，多壁碳纳米管，单壁碳纳米管和垂直排列的碳纳米管，并与活性炭和氧化石墨烯进行了比较概述了该系列活性炭吸附剂的吸附行为。重要的是，虽然发现化学吸附在活性炭中占主导地位，但碳纳米材料上的二氧化硫吸附是通过物理吸附机制发生的。
图1显示了不同吸附剂的示意图。活性炭具有无序的孔结构(图1a)，其孔隙度是由基本结构单元的无规堆积引起的，该结构单元可能是小于10-20环的平面芳族结构，分布在2-4层上或有缺陷的微石墨烯层。具有这种形态，它代表具有扩展的结构紊乱的类型学碳吸附剂。氧化石墨烯具有2D分层结构，如图1b所示。合成氧化石墨烯的起始材料是石墨，石墨的氧化引入了氧官能团，继而增加了层间距并使材料变成亲水性。随后的剥落步骤将各层分开，从而显着增加其可访问的表面积，从而导致单层或少层氧化石墨烯的形成。在我们以前的工作中，通过XPS分析，我们发现氧化石墨烯上存在的氧官能团是羟基和羧基的形式。材料在孔隙率和功能化程度方面的可调性使氧化石墨烯成为亲水性碳吸附剂的原型，因此对于研究2D材料中的气体吸附也很有趣。碳纳米角具有管状结构，在一端具有封闭的锥形尖端结构(图1c)。单个碳纳米角通常为单壁，内径为2-4 nm。碳纳米角的独特特征是直径为50–100 nm的刚性球形聚集结构。合成后的碳纳米角关闭，气体分子无法进入碳纳米角内部。氧化处理，例如在空气中加热，O 2 或CO 2用于打开碳纳米角，从而将可及表面积增加3-4倍。碳纳米角具有微孔的组合，对于气体吸附应用很有趣，因为它们可以大量生产且纯度高。
图2显示了使用SEM显示了不同吸附剂的形态。碳纳米角具有如图2a的SEM图像所示的聚集结构。碳纳米角的TEM图像(图3c)显示只有很少的尖端从球形聚集体结构中突出，表明芽状碳纳米角结构。高分辨率TEM图像确认了碳纳米角的单壁锥形结构(图3c的)。活性炭呈颗粒状且SEM图像(图2f)揭示了没有特定结构/顺序的聚集结构，这是活性炭材料的特征。
吸附不仅取决于孔的结构和几何形状，而且还取决于化学组成。为了充分理解的吸附行为，还必须表征其化学组成。由于它们在红外区域附近的高吸收性，因此很少使用IR光谱来表征CNT和CNH。相比之下，XPS是一种中心表征方法，可以成功地应用于不同类型的活性炭材料，以获得有关表面功能的有意义的化学信息。在六种吸附剂中的表面上显示出明显的氧气浓度。在烟道气吸附在活性炭上的情况下，还观察到了羟基对二氧化硫吸附的有益作用。这些研究都指出，氧官能团的存在肯定会影响二氧化硫吸附剂的吸附特性。在本研究中，去卷积的高分辨率扫描显示，氧化石墨烯的氧气浓度，其次是活性炭。碳纳米角和碳纳米管在表面的氧官能度可忽略不计。对于碳纳米角，使用XPS深度剖面测量，我们以前已经证明，氧官能团仅存在于通常几百微米长的碳纳米角的前几纳米中。
两种吸附剂在25°C下的二氧化硫吸附等温线如图3a所示。活性炭的吸附容量可归因于微孔的存在。如图分析所示，微孔占活性炭的总可用表面积的几乎89.5%。在1bar时，碳纳米角的二氧化硫摄入量，其次是碳纳米管和氧化石墨烯。在图3b中，绘制了在1bar下SO 2的吸附量与吸附剂的BET比表面积的函数关系。在1 bar时，BET比表面积和SO 2吸附之间几乎存在线性关系。在相对压力P/P 0小于0.3的近环境条件下，发现氧官能团的影响更为明显。在我们对单壁碳纳米管的TEM测量中，我们看到了少量的多壁碳纳米管和其他催化剂杂质的存在。这些异物的存在可能是SWNT中观察到的SO 2吸收率低的原因之一。
