在自然界中，以游離狀態存在的碳有三種同素異形體，即：金剛石(等軸晶系結晶)、石墨(六方晶系結晶)和無定型碳。在金剛石的晶體內，所有碳原子相互之間用強的共價鍵成等距離排列，每個碳原子位于一個正四面體的中心，周圍4個碳原子位于4個頂點上，在空間構成連續的、堅固的骨架結構。在這類晶體中是分辨不出單個分子的，只能把整個晶體看成一個巨大的三向分子。金剛石碳原子的所有價電子，都形成共價鍵而沒有自由電子，所以沒有導電性。不受酸堿的作用。
    在石墨晶體中，碳原子排列成層狀結構，在一個平面層片上碳原子排列成正六角形，碳原子就分布在各六角環的頂點上。彼此間的距離比苯環中碳原子的距離0．139nm稍大一些，為O．142nm，石墨是由許多這樣相互平行的層片構成。
    對每個碳原子來說，它的4個電子只有3個與它在同一平面層內的另3個碳原子形成共價鍵，在層與層之間，由于距離較近它們不是以化學鍵相聯結，而是以較弱的分子間引力相聯結。因此，各層間容易滑移和分離，使石墨具有質較滑膩的特性。由于石墨有一個比較自由的、未成鍵的電子，故石墨能傳熱、導電。由于石墨的層狀結構使其許多特征顯方向性。
    研究表明，作為無定型碳，活性炭結構中含有微晶石墨。所謂石墨微晶是類似于石墨的二向結構，但其結構和石墨有所不同，平行的網面對于它們的共同的垂直軸并不是完全定向的，一層對另一層的角位移是紊亂的，各網平面是不規則地相互重疊。一般把這種排列稱為亂層結構。常見的基本微晶約由3～4個平行的石墨層片所組成，它的直徑約為一個碳的六角體寬度的9倍。基本微晶的大小常由于活化或者炭化溫度的升高而增大。
    進一步的研究表明，活性炭一類的無定形碳并不是微晶的集合體，而是由數層平行的碳網平面組成的微晶群、其他未組成平行層的單個網平面組成的微晶群、其他未組成平行層的單個網平面以及無序碳等部分構成的。所謂無序碳是指具有脂肪族鏈狀結構的碳、附著在芳香族結構邊緣上的碳以及參與微晶相互之間架橋結構的碳等。
    X射線衍射研究結果表明，不同的含碳材料在加熱過程中，微晶相互間的排列以及其與微晶軸的方法有兩種不同的方式：一種是基本整齊的，并且與微晶軸的方向總體一致；另一種是雜亂的，無論是微晶間的排列還是微晶與軸的方向，前者叫易石墨化炭，后者叫難石墨化炭。易石墨化炭制得的炭比較軟，孔隙不太發達，而難石墨化炭微晶間孑L隙發達，結構牢固。一般來說，活性炭兼具有兩種結構，大部分活性炭以難石墨化結構為主，尤其是以無煙煤為主要原料制成的煤基活性炭。    以下從理論人手，由活性炭結構的小單位原子開始，而后解析其結構單元，對活性炭的機能基礎的原子性結構進行說明。
    碳原子具有(2s)2、(2p)2兩種價電子，化學結合時形成sp、sp。、sp。三種混合軌道。特別是構成活性炭的基本結構單元的結構，是由sp。混合軌道所形成的、結合角為120。的平面結構。嚴格說來，如圖l一2所示的那樣的一種二元格子結構，可以說是活性炭的碳原子排列中所能見到的唯一的規則結構。由這樣排列的碳原子所形成的基底面規則性地積層結構所構成的三元結晶稱作石墨。在X射線衍射中能觀察到三元結構形成的峰。但是，構成活性炭的孔壁的碳素固體雖然叫做石墨狀微晶，二元格子卻沒有采取石墨那樣規則性的積層結構，而形成如圖1—3中所示的亂層結構。
    由活性炭的x射線衍射圖可見，在活性炭中不存在嚴格意義上的三元性規則結構。從結晶的本來定義是原子具有三元空間性規則配列結構的固體來衡量，活性炭孔壁中的固體便不能叫做結晶。在本節中，為敘述方便，仍按照慣例將其稱作微晶。
    據研究，用X射線衍射能夠求得形成活性炭的石墨狀微晶的三元性的大小。其微晶間的空隙便構成了孔隙。活性炭的結構不是單純的，各個微晶大小不等，微晶結構不均一；另一方面，活性炭的構成元素不僅有碳，還有氮、氧、氫等其他元素，它們以表面官能團的形態存在。而且，活性炭的結構不一定就是堅固的結構。活性炭的微晶隨著對其他分子進行吸附和脫附，其結構也將發生變化。