多孔碳纤维：渗透性、吸附性和导电性

Toray 的新型多孔碳纤维（左上角，显示中空的中心轴）在整个纤维（右上角）中具有可控的纳米或微米级孔隙结构。这种多孔结构有助于使材料成为有效的过滤介质，可用作气体分离膜的支撑结构。由于碳还具有众所周知的吸附特性（用于化学和物理过滤），并且是一种有效的热导体和电导体，因此多孔碳纤维还可用于先进的电池系统和化学加工中使用的催化剂载体。来源 |东丽株式会社

2019 年 11 月中旬，东丽工业公司（日本东京）宣布已开发出世界上第一种具有连续纳米和/或微米级孔结构的多孔碳纤维，并希望在未来五年内实现商业化.具体而言，该产品的一个潜在应用是用于气体分离技术，被各种行业用于分离二氧化碳 (CO2)、沼气、氢气和其他气体。

Toray 报告说传统方法 气体分离发生在大型设施中，这些设施本身使用大量能源并产生大量二氧化碳排放。一种更新的、更环保的气体分离方法采用纳米多孔膜进行气体过滤，能耗显着降低。然而，尽管表现出希望，但 Toray 表示，迄今为止，这种方法缺乏大规模、长期使用所需的效率和耐用性。

据该公司称，东丽的新型多孔碳纤维产品可以通过提高当前气体分离膜的性能，使膜更薄、更轻、更紧凑和性能更好，从而帮助解决这个问题——具有用于燃料电池制氢的潜力。承受热量、压力和化学品。

多孔过滤介质

纳米和微孔过滤介质并不新鲜。少数聚合物——大多数是热塑性的——用于生产纳米多孔平板膜和纳米多孔纤维。典型应用包括高性能水过滤器（用于工业和饮用水）；饮料和食品过滤（以改善颜色、气味或味道）；医用过滤器（用于血液分离（单采）和血液过滤（透析）；以及工业气体分离（适用于广泛的行业和流程，包括化工和石化、电力、采矿、炼钢、医疗、化肥生产、环保、电子和航空航天）。

用于高性能过滤应用的最常见聚合物包括聚醚砜 (PES)、聚砜 (PSU)、聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚四氟乙烯 (PTFE) 和醋酸纤维素 (CA)。对于最苛刻的过滤条件——例如高温或低温、腐蚀性化学品或具有高固体含量的应用——陶瓷（如氧化铝）和金属（如二氧化钛和不锈钢）也被使用。

根据应用的需要，过滤介质可以生产成几种不同的孔隙率水平，孔径为微滤 0.1 微米、超滤 0.01 微米、纳滤 0.001 微米和反渗透 0.0001 微米。

对于高性能过滤介质，关键技术要求包括：良好且广泛的耐化学性，不仅对被分离的材料而且对次氯酸钠（一种用于清洁膜的常用消毒剂）；良好的机械强度，因为许多过滤器施加高压以强制分离固体、液体和气体；渗透性，提供过滤功能；和低污染，因此可以保持膜清洁以实现高效、功能性和长期运行。

多孔碳纤维

碳纤维可用作纳米多孔过滤介质在许多方面都具有吸引力。首先，活性炭——一种带有少量小孔的碳，用于增加吸附和/或化学反应的可用表面积——长期以来一直被用作一系列性能较低的过滤系统的一个组件。由于原子碳的空轨道供应充足，活性炭的表面积增加，该材料可以成为捕获和结合（吸附）各种活性物质的有效介质。不幸的是，由于活性炭本质上是固体，它的渗透功能大多局限于基材表面，其过滤功能主要是物理的（而非化学的），这限制了可以有效分离的物质的种类和大小。

在 Toray 的多孔碳纤维——或通过研磨这种纤维制成的粉末——的情况下，孔在整个结构中是连续的，这意味着由该材料制成的产品应该能够进行物理和化学过滤。通过利用原子碳的吸附特性，纳米多孔碳纤维可能被证明可用于高性能电池中的电极材料和催化剂载体。更重要的是，所有固体形式的碳既是良好的热导体，也是良好的电导体——这些特性在某些应用中可能很有用。

Toray 报告说，无论是制造“实心”多孔纤维还是中空多孔纤维（中心轴沿其长度方向），其产品中的孔径（微米到纳米级）和横截面孔形状都是可控的。纤维）。到目前为止，东丽已经能够创建“大”和“小”孔（尽管没有提供关于实际孔径的细节）。由于碳纤维已经被碳化和石墨化，因此它具有化学稳定性，并且非常坚硬和坚固——这些特性也可以用于生产更坚固、更紧凑的气体分离膜。

据报道，该公司利用三个内部专业领域来开发新产品：聚合物、碳纤维和分离膜/水过滤技术。

2019 年 12 月 11 日，东丽为新的未来研发创新中心举行了剪彩仪式。该公司于 1926 年在日本大津市的滋贺工厂开始运营的两栋建筑设施将作为包括多孔碳纤维在内的多项战略举措的全球总部，通过与学术机构和工业界的合作来自不同领域的合作伙伴。 Toray 报告说，该公司已经与多个合作伙伴合作，以更好地利用每个组织的专业知识来推动先进气体分离膜的商业化，以支持经济和环保的天然气和沼气净化方法以及为电动汽车提供动力的燃料电池的氢气生产和建筑物。该团队表示，他们已经开发出一种新型气体分离膜的概念，该膜将更耐热、耐化学品和耐压。结合东丽的多孔碳纤维作为支撑层和气体分离层的伙伴技术，提议的四层系统应该能够分离和净化天然气（A 层）、沼气（B 层）、氢气（C 层） ）和丙烯（D层）。

该公司还报告说，它正在继续研究这种新材料，以促进碳回收、开发氢能生产并缩小行业的环境足迹。这是东丽集团可持续发展愿景的一部分，即通过对环境、资源管理和能源问题的贡献，帮助到 2050 年实现低碳经济。