Aktif karbonun fiziksel özellikleri, gözenekli yapısı ve geniş yüzey alanı üzerinde odaklanır. Gözeneklilik, gözenek yapısı, gözenek boyutu dağılımı ve özgül yüzey alanı, adsorpsiyon işlemlerinin anlaşılmasında kritik öneme sahiptir. Yüzey alanı genellikle BET yöntemi kullanılarak belirlenir. Bu yöntemde, azot-helyum gaz karışımı adsorbe edilerek farklı basınçlardaki adsorpsiyon miktarları ölçülür.
Büyük bir yüzey alanına sahip olması, aktif karbonun adsorpsiyon merkezlerinin sayısını artırır. Ticari ürünler tipik olarak 500-1.200 m2/g arasında bir yüzey alanına sahiptir, özel amaçlar için kullanılan aktif karbonlar 3.500-4.500 m2/g yüzey alanına sahip olabilirler.
BET yöntemi dışında, sıvı faz fenol yöntemi ve metilen mavisi adsorpsiyon testleri de yüzey alanının belirlenmesi için kullanılabilir. SEM analizi, aktif karbonun morfolojisini görsel olarak gösterir ve tanecik boyut analizi ile EDX analizi sayesinde element yüzdesi belirlenebilir.
Gözenek yapısı, aktif karbonun porozitesini belirlemede önemli bir rol oynar. Gaz adsorpsiyonu ve civalı porozimetre, porozite ölçümlerinde en sık kullanılan yöntemlerdir.
Aktif karbonun oluşumu sırasında karbonizasyon sıcaklığındaki artış, küçük moleküllerin uzaklaşmasına ve mikroporların oluşmasına neden olur. Bu süreçte çapraz bağlı selülozik ana yapı bozulmaz ve selüloz yapısı karbon yapısına dönüşür. Ancak, bu proses mükemmel değildir ve oluşan karbon yapısı tabakasal değildir, bu nedenle modellenmesi zordur.
Aktif karbonun diğer fiziksel özellikleri arasında yoğunluk, aşınma dayanımı, sertlik, nem miktarı, kül miktarı, asitte çözünen madde miktarı, suda çözünen madde miktarı, su tutma kapasitesi ve şişme kapasitesi bulunmaktadır. Bu özellikler, aktif karbonun çeşitli endüstriyel uygulamalarda etkili bir adsorban olarak kullanılmasını sağlar.
Aktif karbonun kimyasal özellikleri, içerisinde bulunan basit grafitik kristallerin köşe ve uçlarında yer alan yüzey gruplarına odaklanır. Bu yüzey grupları, karbonun organik bölümünü oluşturur. Hidrojen ve oksijenin kimyasal olarak bağlı olduğu yüzey grupları, karbonun özelliklerini etkiler. Hava ile temas durumunda, karbon oksijen ile kimyasal bir bağ yapar.
Başlangıç maddesinde bulunan oksijen ve hidrojen, kristal yapı düzeninde önemli bir rol oynar. Karbonizasyon ve aktivasyon süreçleri sırasında, yüksek sıcaklıklarda büyük bir C/H oranı sağlanır. Aktif karbon yapısında bulunan heteroatomlar, karbon kökenli maddelerde bulunan hidrojen, oksijen ve diğer atomlarla bağlar oluşturur. Bu bağlar, karbon atomlarını çevreleyen kuvvetli valansları tam olarak dolduramaz, bu nedenle kristal yapının uçlarına ve köşelerine bağlanır.
Eğer kristal kafes içerisindeki karbon atomlarının hatalı bir yerleşimi söz konusu ise, bu atomlar enerjilerini azaltmak için oksijen, hidrojen ve diğer atomlarla reaksiyona girer. Oluşan kompleks bileşikler, güçlü karboksilik gruplar, zayıf karboksilik gruplar, fenol grupları ve karbonil grupları olmak üzere dört farklı yüzey oksitleri formunda bulunur.
Bu asidik oksitlerin ayrılması, alkali çözeltiler ile nötralizasyonla sağlanabilir. İnert gaz atmosferi ve vakum altında yapılan ısıl işlem de bu grupların karbondan uzaklaştırılmasına katkı sağlar. Kullanılan başlangıç maddesine bağlı olarak, aktif karbonlar %1-15 arasında mineral madde içerebilir. Mineral madde içeriği silikatlar, alüminatlar, kalsiyum, magnezyum, demir, potasyum, sodyum, çinko, kurşun, bakır ve vanadyum gibi anorganik maddeleri içerir. Gazlardan ve çözeltilerden elektrolitlerin ve nonelektrolitlerin adsorpsiyonunda, aktif karbon yapısındaki mineral madde içeriği rol oynar. Demir, kalsiyum ve diğer alkali bileşikler, su buharı ile yapılan aktivasyon işlemi sırasında katalizör görevi görür. Sodyum ve potasyumun hidroksitleri ile karbonatları, dar ve uzun şekilli mikroporların oluşumunu arttırırken, toprak alkali bileşikler, metalik partiküllerin kanallaşması özellikleri ile mezopor oluşumunu zenginleştirir.
