活性炭是一种经过特殊“活化”处理的碳材料，其性质主要由其高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积决定。

• 无定形碳骨架: 与石墨烯、碳纳米管等具有规整晶体结构的碳材料不同，活性炭的骨架是无定形的，由大量乱层堆叠的微小石墨晶区和缺陷构成。
• 丰富的表面化学: 活化过程会在碳表面引入一定数量的含氧官能团（如羧基、羟基、羰基），这些官能团对其吸附性能和催化性能有重要影响。

活性炭纳米颗粒的独特性质完全来自于其高度发达、不规整的多级孔隙结构。

• 巨大的比表面积与“万能吸附剂”: 这是活性炭最核心、最重要的特性。通过活化处理，可以在碳骨架中制造出大量的微孔（50 nm）。这种多级孔隙结构使其具有极高的比表面积（通常为500-3000 m²/g）。巨大的表面积和丰富的孔道使其能够通过物理吸附（范德华力）和化学吸附，高效地吸附各种气体和液体中的分子，是工业和生活中应用最广泛的“万能吸附剂”。
• 优异的电化学储能性能: 巨大的比表面积为电解液离子的存储提供了海量的位点。这使其成为一种性能优异、成本极低的超级电容器电极材料，能够实现极高的比电容和功率密度。

对于活性炭，其性能调控的核心手段是在其碳骨架中引入杂原子（Heteroatoms），以精细调控其电化学和催化性能。

目标: 将非碳元素（如N, S, P, B）共价地掺入活性炭的骨架中。

• 氮（N）掺杂: 这是最常用、最有效的掺杂方式。通过使用含氮的生物质前驱体（如壳聚糖、蛋白质）或对活性炭进行后处理（如氨气处理），可以将N原子以吡啶N、吡咯N、石墨N等多种形式掺入。N掺杂可以：
  • 引入赝电容: N的引入可以在碳材料表面引入法拉第反应活性位点，从而显著提高其赝电容，增加超级电容器的能量密度。
  • 改善浸润性: N的引入可以提高碳材料的表面极性，改善其与水性电解液的浸润性。
  • 引入催化活性: N掺杂的活性炭是性能优异的无金属电催化剂，特别是在氧还原反应（ORR）中。
• 硫（S）、磷（P）、硼（B）共掺杂: 两种或多种杂原子的共掺杂，通常可以产生协同效应，进一步优化其电子结构和电化学性能。

活性炭作为一种比表面积巨大、化学性质稳定、成本极低的材料，在催化领域是应用最广泛的催化剂载体。

将金属或金属氧化物纳米颗粒负载于活性炭表面，是工业催化中最常见的策略之一。

• 高比表面积与高分散: 活性炭巨大的比表面积和多级孔道结构允许催化活性组分（如Pt, Pd, Ru, Ni等）以高度分散的状态负载其中，有效防止其团聚，从而最大化活性位点的暴露，提高催化效率。
• 优异的稳定性: 活性炭的骨架具有优异的化学和热稳定性，能够适应多种苛刻的催化反应条件。
• 成本优势: 活性炭的原料来源极其广泛（煤、木材、果壳、生物质等），生产成本极低，使其成为最具经济效益的催化剂载体。

通过杂原子掺杂，可以赋予活性炭本身优异的催化活性。

• 电催化氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的活性炭，是目前最有希望替代昂贵的铂催化剂的无金属ORR电催化剂之一。

活性炭（Activated Carbon）在生物医学领域最核心、最经典的应用是其作为一种广谱、高效的口服吸附剂，用于急性中毒的急救治疗。

医用活性炭是世界卫生组织（WHO）基本药物标准清单中的必备药物。

• 原理: 当患者口服过量药物或毒物后，立即口服大剂量的活性炭混悬液。活性炭巨大的比表面积和发达的孔隙结构，可以在胃肠道中像“海绵”一样，通过非特异性的物理吸附，将尚未被吸收的药物或毒物分子牢牢地吸附在其表面。
• 作用:
  • 阻止吸收: 吸附了毒物的活性炭复合物由于尺寸太大而无法被胃肠道吸收。
  • 促进排出: 最终，这些复合物会随着粪便被完整地排出体外。
• 优势: 这种方法简单、高效、广谱，对大多数口服中毒（如药物过量、食物中毒）都有效，是急诊室中最常用的急救措施之一。

活性炭纳米颗粒（ACNPs）因其无与伦比的载药能力和优异的生物相容性，在药物递送和肿瘤治疗领域是研究最深入、最有前途的纳米载体之一。

ACNPs的巨大孔体积和比表面积使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: ACNPs巨大的孔体积和比表面积，使其能够通过物理吸附装载极高量的药物分子（载药率可高达自身重量的数倍），远超其它类型的纳米载体。
• 可控释放: 通过在其孔口修饰上对特定刺激（如pH、温度、光）敏感的“门控分子”，可以实现药物的按需、精准释放。

活性炭作为一种黑体材料，在近红外（NIR）光区具有宽谱的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的ACNPs吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，活性炭具有成本极低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

活性炭（AC）作为一种已被批准用于口服的医用材料，普遍被认为具有优异的生物相容性和极低的毒性。

• “绿色”的元素组成: 活性炭主要由生物体中最丰富的碳元素组成，从根本上避免了重金属离子泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 化学惰性: 活性炭的骨架化学性质非常稳定，在生理环境中不易发生反应。
• 不被吸收: 当口服给药时，活性炭颗粒由于尺寸太大，几乎不会被胃肠道吸收，最终会随粪便完整排出。

尽管活性炭总体上是安全的，但其纳米形态的生物安全性仍需根据具体情况进行评估。

• 纯度: 医用级活性炭必须是高纯度的。工业级活性炭中可能含有的重金属、多环芳烃等杂质是其潜在毒性的主要来源。
• 给药途径: 虽然口服是安全的，但如果通过静脉注射等方式将活性炭纳米颗粒引入血液循环，其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，仍需要进行系统的研究。

活性炭的制备是一个成熟的、大规模的工业过程，其核心是两步法：碳化和活化。

这是制备活性炭最核心、最经典的方法。

• 原料: 几乎所有富含碳的有机物都可以作为原料，最常用的是煤、木材、椰壳、果壳等生物质。
• 合成步骤:
  1. 碳化 (Carbonization): 将原料在隔绝空气的条件下，进行高温（通常400-600 °C）热解。这个过程会去除原料中的挥发性组分（如水、焦油），得到一个初步具有孔隙结构的“炭”骨架。
  2. 活化 (Activation): 这是制造出高度发达孔隙结构的关键一步。将得到的炭在更高温度下（通常600-1200 °C），用一种“活化剂”进行处理。活化剂会与炭骨架发生反应，选择性地刻蚀掉部分碳原子，从而在骨架中“挖”出大量的微孔和介孔。
     • 物理活化: 使用水蒸气或二氧化碳（CO₂）作为活化剂。
     • 化学活化: 将炭与化学品（如磷酸H₃PO₄、氯化锌ZnCl₂、氢氧化钾KOH）混合，然后进行热处理。化学活化通常可以得到比表面积更高、孔径分布更可控的活性炭。
• 纳米化: 将制备好的块状或粉末状活性炭，通过球磨等机械方法，可以将其破碎成纳米尺寸的颗粒。

对活性炭的精确表征是评估其吸附和电化学性能的关键。对其孔结构的分析至关重要。

• 比表面积、孔容和孔径分布: 氮气吸附-脱附等温线。这是表征多孔材料最核心的技术。
  • 等温线类型: 活性炭的吸附等温线通常是I型（富含微孔）和IV型（富含介孔）的叠加，反映了其复杂的多级孔隙结构。
  • 关键参数: 通过BET模型计算材料的总比表面积；通过t-plot, HK, SF等模型分析微孔，通过BJH或DFT模型分析介孔，可以精确计算出材料的孔径分布和总孔体积。这些是评估其吸附和储能性能的核心数据。

• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 和 透射电子显微镜 (TEM)。用于观察活性炭颗粒的尺寸、形貌和表面粗糙度。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。活性炭的XRD谱图通常只在2θ ≈ 24°和43°附近有两个非常宽缓的“馒头峰”，分别对应于石墨的（002）和（100）晶面，这是其无定形/乱层石墨结构的典型特征。

活性炭的表面工程是其实现高级应用的关键，其核心是调控其表面化学官能团以实现选择性吸附或催化。

这是在活性炭表面引入特定官能团的最常用方法。

• 表面氧化: 通过强氧化剂（如浓硝酸、高锰酸钾、过氧化氢）处理，可以在活性炭的表面引入大量的羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些含氧官能团可以：
  • 提高对极性分子的吸附: 增加表面极性，提高其对水中极性污染物（如重金属离子）的吸附能力。
  • 作为化学锚点: 用于后续的共价偶联反应，接枝其它功能分子。
• 表面还原/氮化: 通过氨气（NH₃）在高温下处理，可以在活性炭表面引入含氮官能团（如胺基、吡啶基），以提高其对酸性气体（如CO₂）的吸附能力，或赋予其催化活性。