超高渗透多孔碳纤维：卓越吸附与导电性能

Toray 新型多孔碳纤维（左上，显示中空中心轴）在整根纤维内具有可控的纳米/微米级孔隙结构（右上）。这种多孔结构使其成为高效过滤介质，可用作气体分离膜的支撑结构。碳材料本身具有良好的吸附性能（化学与物理过滤），且是优良的热导体和电导体，因此多孔碳纤维还可用于先进电池系统和化工催化剂载体。来源 | Toray Industries Inc.

2019 年 11 月中旬，Toray Industries Inc.（日本东京）宣布开发出世界首款具有连续纳米/微米级孔隙结构的多孔碳纤维，计划在未来五年内实现商业化。一个潜在应用是气体分离技术，广泛用于分离二氧化碳 (CO₂)、沼气、氢气等气体。

Toray 指出，传统气体分离在大型设施中进行，能耗高、CO₂ 排放大。一种更新、更环保的方法是采用纳米多孔膜进行气体过滤，能耗显著降低。但 Toray 称，迄今该方法缺乏大规模长期使用所需的效率和耐久性。

据公司介绍，Toray 新型多孔碳纤维产品有望解决这一问题——在氢燃料电池生产中具有潜力——通过提升现有气体分离膜性能，使膜更薄、更轻、更紧凑，并更耐热、耐压、耐化学腐蚀。

多孔过滤介质

纳米和微孔过滤介质并非新事物。少数聚合物——多为热塑性——用于制造纳米多孔平膜和纳米多孔纤维。典型应用包括高性能水过滤（工业和饮用水）、食品饮料过滤（改善色泽、气味、口感）、医用过滤（血液分离/透析）、工业气体分离（化工、石化、电力、采矿、炼钢、医药、化肥、环保、电子、航空航天等）。

高性能过滤应用常用聚合物包括：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)。针对最苛刻过滤条件（高/低温、强腐蚀化学品、高固含量），也会使用陶瓷（如氧化铝）和金属（如二氧化钛、不锈钢）。

根据应用需求，过滤介质可制成不同孔隙等级：微滤孔径 ~0.1 微米，超滤 ~0.01 微米，纳滤 ~0.001 微米，反渗透 ~0.0001 微米。

高性能过滤介质关键技术要求：对被分离物质及次氯酸钠（常用膜清洗消毒剂）有良好广谱化学耐受性；良好机械强度（许多过滤器施加高压分离固液气）；渗透性以实现过滤功能；低污染倾向，保持膜清洁以实现高效长期运行。

多孔碳纤维

碳纤维作为纳米多孔过滤介质具有多重吸引力。首先，活性炭——一种通过微孔增加比表面积用于吸附/化学反应的碳形式——长期用作各类低性能过滤系统的组分之一。得益于原子碳丰富的空轨道和活性炭的高比表面积，材料能有效捕获并结合（吸附）多种活性物质。遗憾的是，活性炭本质是固体，渗透功能主要局限于基材表面，过滤功能以物理为主，限制了可有效分离的物质类型和尺寸。

而 Toray 多孔碳纤维——或由其研磨制得的粉末——孔隙贯穿整个结构，意味着由该材料制成的产品能同时实现物理和化学过滤。利用原子碳的吸附特性，纳米多孔碳纤维可能适用于高性能电池的电极材料和催化剂载体。此外，碳的所有固态形式均是良好的热导体和电导体——这些特性在特定应用中极具价值。

Toray 报告称，其产品的孔径（微米至纳米级）和横截面孔隙形状均可控，无论制造实心多孔纤维还是中空多孔纤维（沿纤维长度有中心轴）。目前已能制造“大孔”和“小孔”（未提供具体孔径数值）。由于碳纤维已完成碳化和石墨化，化学性质稳定、刚性高、强度大——这些特性也可用于生产更强、更紧凑的气体分离膜。

据称，公司整合了三大内部专长开发新产品：聚合物、碳纤维、分离膜/水过滤技术。

2019 年 12 月 11 日，Toray 在滋贺工厂（公司 1926 年始建地）举行剪彩仪式，启用新的未来研发创新中心。该双楼设施将作为多项战略举措的全球总部，包括多孔碳纤维，通过联合学术机构和跨领域产业伙伴推进商业化。Toray 报告称已与多家伙伴合作，发挥各自专长，推动先进气体分离膜商业化，支持天然气和沼气提纯、氢气生产（用于燃料电池驱动电动汽车和建筑）的经济环保方法。团队已开发出一种新型气体分离膜概念，将更耐热、耐化学、耐压。结合 Toray 多孔碳纤维作为支撑层和伙伴技术作为气体分离层，拟议的四层体系可分离净化天然气（A层）、沼气（B层）、氢气（C层）和丙烯（D层）。

公司还报告称，正继续研究该新材料，促进碳循环、开发氢能、缩减工业环境足迹。这是 Toray 集团可持续发展愿景的一臂，旨在通过环境、资源管理和能源贡献，助力 2050 年实现低碳经济。