Reaktivace uhlíku je klíčový proces, který dodává uhlíkovým materiálům vynikající adsorpční vlastnosti a povrchovou aktivitu. Jeho podstata spočívá v regulaci mikrostruktury a povrchových chemických vlastností uhlíkové matrice fyzikálními nebo chemickými prostředky, čímž je dosaženo cíleného návrhu materiálových funkcí. Během procesu reaktivace uhlíku je prvním krokem tepelný rozklad a karbonizace prekurzoru tvořícího základní strukturní jednotky uhlíkových šestiúhelníkových kruhů, které jsou náhodně uspořádány. Tyto jednotky jsou propojeny prostřednictvím van der Waalsových sil a kovalentních vazeb, aby vytvořily počáteční uhlíkovou kostru. V této fázi má uhlíkový materiál typicky nízký specifický povrch a uzavřenou strukturu pórů, což vyžaduje další rozvoj jeho vnitřního prostoru prostřednictvím aktivačního procesu.
Fyzikální aktivace využívá jako aktivační činidla páru, oxid uhličitý nebo vzduch. V teplotním rozsahu 800-1100 stupňů podléhají molekuly aktivačního činidla oxidačním reakcím s atomy uhlíku v uhlíkové struktuře. Tento efekt selektivního leptání se vyskytuje přednostně na energeticky aktivnějších místech uhlíkové struktury, například defekty, nenasycené vazby a tak dále. Jak aktivační reakce pokračuje, původně vytvořené mikropóry expandují vrstvu po vrstvě prostřednictvím leptání stěn pórů a propojení mezi sousedními mikropóry vytváří mezopóry, které nakonec vytvářejí víceúrovňovou síť pórů složenou z mikropórů, mezopórů. Přesná kontrola aktivační teploty a času je v tomto procesu rozhodující: příliš nízká teplota bude mít za následek pomalou rychlost aktivační reakce a neúplný vývoj pórů; zatímco příliš vysoká teplota může způsobit nadměrné spalování uhlíkového skeletu, což snižuje mechanickou pevnost a výtěžnost materiálu.
Chemická aktivace zahrnuje zavádění chemických činidel před nebo během karbonizace. Jeho mechanismus je složitější než fyzická aktivace a zahrnuje dehydratační, katalytické a leptací účinky. Ve srovnání s fyzikální aktivací má chemická aktivace výhody nižší aktivační teploty a vyšší reakční účinnosti a zavedení činidel mění povrchové chemické prostředí uhlíkového materiálu -, například aktivace kyselinou fosforečnou může zadržet více funkčních skupin obsahujících kyslík-, zatímco aktivace hydroxidem draselným má tendenci vytvářet alkalické povrchy bohaté na elektrony-.
Úprava povrchu během procesu reaktivace uhlíku je dalším důležitým aspektem pro zlepšení specifických vlastností materiálu. Ve vysokoteplotním prostředí aktivační reakce dochází na povrchu uhlíkového materiálu k chemickým reakcím s aktivačním činidlem a plynnými nečistotami v atmosféře, přičemž se vytváří kyslík- obsahující funkční skupiny např. hydroxylové, karboxylové atd., jakož i malé množství dusíkatých a sirných skupin. Typy a množství těchto funkčních skupin přímo ovlivňují povrchovou smáčivost, elektrochemický výkon a adsorpční selektivitu uhlíkového materiálu -, například zavedení karboxylových skupin může významně zvýšit chelatační schopnost materiálu pro kationty těžkých kovů, zatímco přítomnost dusíku pyridinového -typu může zlepšit jeho katalytickou aktivitu při reakcích na redukci kyslíku. Kromě toho povrchové defekty (jako jsou jednotlivé prázdné pozice, dvojité volné pozice a topologické defekty) generované během aktivačního procesu poskytují hojná aktivní místa pro materiál, což demonstruje jedinečné výhody při skladování energie, katalytické konverzi a dalších oblastech.
Od mikroskopického mechanismu po makroskopický výkon byl vývoj technologie reaktivace uhlíku vždy založen na zákonu korelace „struktura - výkon - aplikace“. S aplikací pokročilých charakterizačních technik, jako je synchrotronové záření a elektronová mikroskopie s korekcí aberace, vědci získali hlubší pochopení dynamického procesu evoluce pórů a mechanismu tvorby povrchových funkčních skupin během aktivačního procesu, což poskytuje teoretické vodítko pro přesné řízení mikrostruktury uhlíkových materiálů. V budoucnu se bude technologie reaktivace uhlíku díky simulaci ve více měřítcích a inteligentnímu experimentálnímu návrhu vyvíjet směrem k ekologičtějšímu a přizpůsobenému směru a dále rozšiřovat hranice svých aplikací v oblasti správy životního prostředí, nové energie a špičkové-výroby.