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研究背景

全球快速发展依赖于化石燃料的加速使用，导致温室气体持续排放，引发了人们对环境、气候和全球生态系统的担忧。尤其是全球变暖的最大元凶二氧化碳在大气中的浓度已达到前所未有的高度。因此，为了实现《巴黎协定》等国际承诺设定的降低大气二氧化碳水平的目标，开发替代能源变得更加紧迫。当前的努力重点是开发环保、低成本的技术，以弥补二氧化碳水平上升造成的环境破坏，并逐步过渡到更清洁的燃料。一种可能的替代燃料是天然气 (NG)，其主要成分是甲烷。近年来，天然气因其储量丰富、碳排放量低而作为汽车运输的替代燃料受到极大关注。然而，在移动应用中使用天然气作为燃料面临着与储存和运输相关的挑战。

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职位描述

基于以上问题，英国诺丁汉大学Robert Mokaya团队通过碳化离子液体IL（1-丁基-3-甲基咪唑三氰基甲烷，[BMIm][C(CN)3]），再用KOH对所得碳材料进行化学活化，制备出具有混合微孔/中孔的活性炭。在碳化过程中，IL生成的碳材料具有不寻常的高N含量和低O/C原子比的组合。活化后，IL-C生成具有混合微孔和中孔的活性炭，其超高表面积高达4000 m2 g-1，孔体积为3.3 cm2 g-1，并且具有很高的堆积密度。活性炭的孔隙率和堆积密度是IL-C前驱体元素组成的结果，特别是IL-C前驱体的低O/C比和高N含量对孔隙率起着决定性的作用。 与其他传统碳材料相比，IL-C前体表现出异常的活化行为。IL衍生的活性炭由于其微孔和中孔的平衡组合、高堆积密度和大表面积，是理想的甲烷储存材料。最佳碳在25°C和100bar下实现了0.53g g-1和289cm3cm-3的甲烷吸收量。这样的吸收量超过了美国能源部设定的0.5g g-1和263cm3cm-3的重量和体积吸收目标，这将使其广泛应用于车辆运输和其他用途。此外，在25°C、压力变化为100至5bar时，IL衍生碳的可运输甲烷容量（工作容量）高达0.46g g-1和248cm3cm-3。性能最佳的IL衍生活性炭满足了重量和体积甲烷储存目标。 该研究成果以“满足重量和体积甲烷存储目标的超高表面积离子液体衍生碳”为题发表在《能源与环境科学》杂志上（DOI：10.1039/d3ee03957a）。