氣相炭化(carbonization in gas phase)是指低分子烴類在700-1600℃的溫度範圍內，通過氣態分子的深度熱解反應而最終導致生成固體炭的炭化過程。這一過程的初始反應步驟也是首先通過烴分子的最初熱解即最弱鍵的斷裂.熱解反應的機制表現為化學鍵的均裂而生成兩個單自由基，進而發生自由基的聚合，出現苯環的核，並經由多環芳烴(或其自由基)的中間產物並最終聚合成炭。從低環數的多環芳烴通過氣相熱解生成產物的分析表明高溫氣相熱解的產物組成分布大致相同於中溫液相熱解生成的產物組成。故而國際上著名學者如日本大谷杉郎和德國菲采爾(E. Fitzer)都認為“在純粹氣相中生成焦油狀物質的炭化，基本上經歷了與在液相中的炭化同樣的路徑”。
基本介紹
- 中文名：氣相炭化
- 外文名：carbonization in gas phase
- 學科：冶金工程
- 領域：能源
- 範圍：炭素
- 溫度範圍：700-1600℃的溫度範圍
簡介,氣相炭化的特點,氣相炭化的多樣性,
簡介
氣相炭化(carbonization in gas phase)是指低分子烴類在700-1600℃的溫度範圍內，通過氣態分子的深度熱解反應而最終導致生成固體炭的炭化過程。這一過程的初始反應步驟也是首先通過烴分子的最初熱解即最弱鍵的斷裂.熱解反應的機制表現為化學鍵的均裂而生成兩個單自由基，進而發生自由基的聚合，出現苯環的核，並經由多環芳烴(或其自由基)的中間產物並最終聚合成炭。從低環數的多環芳烴通過氣相熱解生成產物的分析表明高溫氣相熱解的產物組成分布大致相同於中溫液相熱解生成的產物組成。故而國際上著名學者如日本大谷杉郎和德國菲采爾(E. Fitzer)都認為“在純粹氣相中生成焦油狀物質的炭化，基本上經歷了與在液相中的炭化同樣的路徑”。
氣相炭化的特點
氣相炭化過程區別於液相和固相炭化的主要特點為：
(1)高溫。除了最穩定的烴分子甲烷的初始分解溫度(常壓683℃)接近氣相炭化的下限溫度外般低分子烴類的初始分解溫度遠低於氣相炭化反應溫度，故它在炭化溫度下極不穩定，其熱分解速率很高。因而，氣相炭化反應的成炭速率一般都十分快且溫度愈高，成炭速率愈快。熱解炭及熱解炭黑從原料進入反應器到生成固體炭產物，在數秒內達到，而炭黑的生成在千分之一到千分之幾秒內完成。這樣的快速反應只有通過活潑自由基的聚合反應才能進行。由於炭化速率如此之快，帶來了研究炭化反應機理(即化學上表現出來的長過程的各個單元步驟)的高難度，在學術界常常出現不同學術觀點的對立和爭論。
(2)氣相炭化反應的高溫和快速，制約了反應物分子所處的環境對炭化過程的本性及產物的結構和性質。
氣相炭化的多樣性
迄今，以下3種特定情況已被發現和闡明：
(1)純粹氣相中的炭化(這一個別情況又區分為反應物為純烴類或烴和氧的混合氣體)；
(2)氣相中有作為沉炭基體的固體表面存在(此個別情況又區分為固體表面系惰性表面或具有催化性質)；
(3)氣相中有活性金屬微粒(納米級)存在。烴類分子在氣相中經歷了均相熱解或非均相熱解的持續炭化反應，導致了固體炭產物十分迥異的外貌形態和內部組織結構，從而賦予各種氣相炭亞類型以不同性能和用途。
除了上述常見的氣相炭化的溫度範圍(700-1600℃)外，熱解石墨的製備溫度高達2000-2100℃。1960年，培根(R.G. Bacon)曾在實驗室里以電弧爆炸法將石墨電極氣化後製得石墨晶須，這個過程的反應溫度肯定已經大大高出2000℃。
1990年，德國人克雷希默(W. Kraetschmer)等採用了石墨電弧氣化法合成了巨觀數量的舉世聞名的巴基球開闢了新型炭材料的新世界。可以預期，氣相炭化的多樣性將預示著新型炭材料開發的光輝前景。
