Journal of Materials Chemistry A：生物质多孔碳基材料在能源和环境修复中应用的研究进展

背景介绍

随着环境污染的增加和化石燃料的枯竭，生物质及其废弃物的转化利用受到广泛关注。其中，由含量丰富且富含碳的原料前体制成的多孔碳基材料已广泛应用于清洁能源储存和环境修复等方面。生物质基多孔碳基材料具有高比表面积、可调孔径、发达的孔结构和化学稳定性等特性。同时，通过逐步设计和改进若干技术，可以更加经济和简便地减少污染物。

印度韦洛尔科技大学Arpan Kumar Nayak（通讯）在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表题为“Recent Advancement of Biomass-derived Porous Carbon Based Materials for Energy and Environmental Remediation Applications”的文章。该综述介绍了纳米多孔碳材料的多种生物合成活化方法及其在设计和可持续发展方面的最新研究。此外，还简要介绍了纳米多孔碳在电化学系统和环境保护方面的应用前景。最后，总结了当前面临的挑战和未来研究的方向。

图文解读

生物质资源清洁、分布丰富、可再生、价格低廉、种类多样，可作为制备碳基纳米材料的原料。近年来，一系列具有独特物理和化学特性的生物质源纳米孔碳基材料被广泛应用于能源和环境领域。在几种生物质中，合成的多孔碳含有大量的表面官能团（如羧基、吡啶等）和掺杂的杂原子（如O、N、S、P）。这些官能团和杂原子在生物质仿生结构中有利于提供材料的高速率性能，从而增强表面润湿性和导电性。废弃物原料分为自然废弃物和人为废弃物两大类，具有系统转化为高附加值多孔碳材料的潜力。目前，天然生物质废弃物（如洋葱皮废料、锯末、纺织废料、苹果皮、轮胎橡胶等）已成功地作为碳前体用于制备纳米多孔碳，从生物质和废弃物原料获得的纳米多孔碳是下一代增值材料。

图1 生物质/废弃物衍生的纳米多孔碳的结构特性和应用示意图

从可持续发展的角度来看，寻找具有良好表面积、最佳杂原子官能团、合适的孔隙度和平衡的孔隙结构的生物质/废弃物源纳米孔碳是寻找最合适的加工策略的核心驱动力。此外，大多数未经处理的生物质/废料是硬的，并有大量的杂质，不适合直接使用。目前合成活性炭的方法主要有热解法、活化法和水热碳化法。其他制备方法包括软模板法、硬模板法和机械化学合成法。

图2 （a）木质纤维素生物质的热解温度和（b）从尼姆枯叶中制备功能性碳及其超级电容器测量原理

图6 （a）微波加热下木质素转化多孔碳的示意图；（b）从酒石中制备多孔碳的步骤；（c）油菜花粉多孔碳制备示意图

水热碳化转化过程或湿热解通常是在温和的温度（120 - 250℃）下在水反应介质中完成，不使用任何化学催化剂。实验过程发生在一个封闭的容器中，在自产压力下进行。由于水热碳化不涉及极端的操作条件和干燥的生物质/生物废弃物材料，它具有高效率、低温和易于处理的优势。此外，它促进了碳试剂与水介质之间的物理化学相互作用，导致了增值碳材料的形成。因此，水热碳化是一种新兴的生物合成方法。

图10 （a）a.葡萄糖、b.蔗糖、c.淀粉、d.纤维素、e.黑麦秸秆和f.稻谷基不溶性碳水化合物的扫描电镜图像；（b）通过水热碳化处理制备稻壳基多孔碳

从生物质和废弃物中提取的大量多孔碳材料作为碳前体被有效地用于可持续去除有毒环境污染物，如染料、药物和重金属等。这是由于多孔碳具有SSA大、孔体积大、杂原子功能、微/介孔可调以及分层多孔结构等优异的表面性能。基于静电吸引、离子交换吸附、氢键、孔填充机理、表面络合和分子间相互作用等机制，利用多孔碳材料进行吸附是去除空气和水中的现场和工业污染物最常用的方法。

图15 （a）土苜叶衍生多孔碳的长时间吸附能力和（b）（i）玉米秸秆-FeCl₃·ZnCl₂-900C和（λ2）ρ与CS衍生生物炭吸附苯酚密度梯度降低的对比（ii）C₄₂H₁₆-苯酚，（iii）C₄₂H₁₄-OH-CHO-苯酚和（iv）C₄₂H₁₅-OH-苯酚

光催化剂在环境控制和能源中的应用越来越受到重视。半导体具有能带结构，可以利用光能引发氧化还原反应，从而作为多相光催化剂。在众多的半导体氧化物中，二氧化钛因其不同的理想性能而被认为是各种环境修复应用中最理想的光催化剂。为了弥补和克服含有较差SSA的二氧化钛的错位性能，人们再次对碳基光催化剂的设计和制造产生了兴趣，生物质/废料原料制成的多孔碳已经成为不同光催化氧化的良好光催化剂和催化剂载体。其具有独特的物理化学性质，可以有助于高效的大规模试剂扩散，增强稳定的活性位点可及性和改善光收集响应。因此，多孔碳与光催化剂结合具有吸附和光催化的协同效应。

图18 （a）香菇多孔炭的制备及其光催化性能；（b）（i）MB和（ii）MG的光催化降解效率随辐照时间的变化；（c）（i）BiOBr和（ii）AC-BiOBr复合催化剂的紫外可见漫反射光谱；（d）几丁质衍生的碳/g C₃N₄异质结在Rh B光降解中的原理图；（e）利用鸡蛋花生物量和光催化Cu NPs和多孔石墨烯纳米片(PGS)-2-Y的H₂析出

总结展望

富碳前体作为合成下一代高性能可持续多孔材料具有广阔的前景和商业可行性。可以通过炭化、物理/化学活化等传统方法以及模板化、机械化学等新兴技术合成多孔碳。不同的制备方法影响多孔碳材料的物理化学性质（表面积、表面/网络功能、孔隙几何形状和分层多孔结构）。纳米多孔碳在储能（超级电容器）、环境缓解（吸附、去除和降解）和光催化等不同领域中均具有优异性能。

尽管在多个领域具有多功能特性的先进纳米多孔碳已经取得了巨大的成就，但在更复杂的结构设计方面仍有很大的改进空间，特别是在理论基础和商业化应用方面，如（1）基于绿色化学原理，开发更优化和简便的操作方法，增加纳米多孔碳的产量；（2）精确调节材料设计，在定制的纳米多孔碳中控制孔隙率和形态，以满足特定的高科技应用；（3）减少碳原料活化过程中有害排放物的释放，注重残余废物的回收和处理；（4）通过理论在分子水平上充分探索生物质/废物衍生的纳米多孔碳材料中的掺杂及其在结构-性能关系方面的潜在机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1TA10269A

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