生物质多孔碳材料概念与应用

贾佳昕 吴公勇 张仕超

摘要：随着清洁能源的开发利用，生物质能以其清洁、可再生、可降解和多样性等特点受到广泛关注。作为农业大国，生物质废弃物的充分合理利用不仅可以产生更多的经济效益，而且可以解决现场焚烧带来的一系列环境问题。生物质多孔炭材料由于来源丰富、绿色环保、孔结构可调、比表面积大、耐酸碱、耐腐蚀等优点，被广泛用作土壤改良剂、污染物吸附剂、超级电容器等新型储能装置的电极材料，优异的导电性等性能和特性。

关键词：生物质;多孔碳;活化;超级电容器

1、生物质多孔碳材料概述

1.1、生物质

随着工业的发展，开发利用清洁能源已迫在眉睫。生物质能已成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。生物质是指所有直接或间接利用绿色植物进行光合作用的有机物，包括所有植物、动物、微生物以及这些生物产生的排泄物和代谢物，具有可再生、可降解、清洁多样的特点，是一种非常重要的可再生能源。我国是一个农业和林业大国，每年都会产生大量的农林废弃物。这些废弃物通常被焚烧，不仅造成生物质能的浪费，而且造成严重的环境污染。

1.2、生物质多孔碳材料

生物质多孔碳材料是一种高芳香度、富含碳的多孔固体粉末，是在缺氧或绝对氧条件下，通过生物质热解、炭化和活化得到的。目前，对生物质多孔碳材料的研究较多。常见的生物质废弃物有香蕉皮、柚子皮、树叶、稻草、花生壳、核桃壳等。生物质多孔炭材料具有来源丰富、制备方法简单、孔结构发达、导电性好等优点。它们广泛应用于重金属和有机污染物的吸附、电极材料等领域。

2、生物质多孔碳材料的制备

生物质多孔炭材料通常是由生物质原料碳化活化而成。因此，炭化和活化是生物质多孔炭材料制备过程中最重要的两个过程。

2.1、碳化

最常用的碳化法有直接碳化法和水热碳化法。

1）直接碳化法

直接炭化是将生物质放入管状炉中，在氮气或氩气中热解得到碳物质的一种方法。自然界中生物量种类繁多，各种生物量中元素的种类和含量差异很大。因此，碳化温度和碳化时间对材料的孔隙结构和微观形貌有很大的影响。以棉、棉麻、亚麻织物为原料，氮气为保护气体，采用直接碳化法制备了不同温度下的柔性多孔炭材料。实验结果表明，随着温度的升高，材料的石墨化程度增加。8500℃下制备的炭材料石墨化程度最高，亚麻织物制备的多孔炭材料比表面积为650m2g-1，主要为微孔结构。采用直接炭化法，以每分钟10℃升温速率，在不同温度下制备了2h的浒苔基生物炭，并用HCl和HF对其进行了改性。

2）水热碳化法

水热炭化法是指以水溶液为介质，将生物质原料和水溶液置于封闭系统中，通过加热加压，使生物质在常温常压下炭化反应正常进行的方法。椰子壳和污泥按不同比例混合均匀后，转移到220℃的反应釜中，加热3h，进行水热炭化。以KOH为活化剂，在N2保护气氛中进一步炭化7000C。当椰子壳与污泥的比例为1∶3时，最大比表面积为3003 M2g-1。在电流密度为0.5 Ag-1时，比电容为420 Fg-1。以桂花为原料，通过水热预碳化和活化碳化法制备了具有良好电化学性能的多孔炭材料。水热炭化法所需温度较低，一般在160℃～ 250℃之间。然而，水热炭化法制备的多孔生物质碳材料比表面积小，孔隙结构不发达，需要进一步的活化过程才能形成孔隙。

2.2活化

一般情况下，直接碳化和水热碳化法制备的碳材料孔隙结构不发达，需要进一步活化来提高孔隙率和比表面积。活化主要是指生物质原料或前体在碳化过程中与活化剂发生反应形成多孔结构的过程。有两种活化方法：物理活化和化学活化。

1）物理活化法

物理活化法又称气体活化法，是指在炭化过程中通过引入H2O、CO2、O2等气体来获得多孔炭材料。物理活化方法分为两步：第一步是在保护气体中预碳化生物质;第二步是在活性气体中活化。Villella等人。以二氧化碳为活性气体，椰子壳为原料。800℃下制备的多孔炭材料比表面积达到1452m2g-1，孔容为0.65m3g-1。

2）化学活化法

化学活化是生物质原料或前驱体与活化剂混合均匀后，在惰性气体保护下高温热解的过程。与物理活化法相比，化学活化法因其易于控制的过程和更为丰富的孔隙结构而得到广泛的应用。目前最常用的化学活化剂有KOH、K2CO3、ZnCl2、H3PO4等。Selvan等以橡果壳和KOH为活化剂，制备了比表面积为796 m2g-1的多孔碳材料，而没有KOH活化的碳材料比表面积为334 m2g-1，说明KOH活化对提高材料比表面积有显著作用。Hong等以H3PO4为活化剂，制备了比表面积为1272 m2g-1的柚皮基多孔碳材料，表面形貌为三维连接结构。Ucar以石榴籽为原料，ZnCl2为活化剂，分别在600℃和800℃下制备了两种多孔炭。600℃下制备的材料比表面积大，为978.8m2g-1。同时，浸渍率和炭化温度对多孔炭材料的表面形貌和孔结构有显著影响。

3、生物质多孔碳材料的应用

生物质炭材料在土壤改良剂、污染物吸附剂、新型储能装置电极材料等方面有着广泛的应用。在经济全球化时代，能源问题与各国的命运息息相關，是一个亟待解决的关键问题。随着社会的发展，太阳能、风能和生物能等清洁能源的可持续发展。

结束语

这些清洁能源并不是直接可以得到的，因此高效的能量转换和储存装置引起了大量研究者的关注。超级电容器作为一种新型的绿色储能设备，具有充放电速度快、循环寿命长等特点，广泛应用于电子产品、新能源、航空航天、军事装备等领域。

参考文献

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