生物质碳材料的制备及其应用研究进展

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｍａｓｓｄｅｒｉｖｅｄｃａｒｂｏｎｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｆｒｏｍｂｉｏｍａｓｓａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｎｏｎ－ｃａｒｂｏｎｅｌｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｍｏｖｅｄａｔａｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇｂｉｏｍａｓｓｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｂｉｏｍａｓｓｄｅｒｉｖｅｄｃａｒｂｏｎｂｅｃｏｍｅ ａｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｄｊｕｓｔａｂｌｅｐｈｙｓｉｃａｌ／ｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｐｒｅｐａｒｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｂｉｏｍａｓｓｄｅｒｉｖｅｄｃａｒｂｏｎｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｄｉｒｅｃｔｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｃｈｅｍｉｃａｌａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈｏｗ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅａｎｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｂｉｏｍａｓｓ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ
第 １６期
姜 靓，等：生物质碳材料的制备及其应用研究进展
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生物质碳材料的制备及其应用研究进展
姜 靓１，王 静２
（１．济宁医学院 生物纳米技术与医学工程研究所，山东 济宁 ２７６０６７； ２．济宁学院 物理与信息工程系，山东 曲阜 ２７３１５５）
摘要：生物质碳是以生物质为原料，在高温条件 下 去 除 其 中 的 非 碳 元 素 制 备 得 到 的 一 类 碳 材 料，是 实 现 生 物 质 转 化 利 用 的 一 种 有 效 手 段。生物质碳具有结构和形貌的多样性，可调的物理化学性质以及环境友好、低成本等特点成为当前环境和材料领域的研究热点。常 用的生物质碳制备方法主要包括直接碳化法、化学活化法和水热碳化法等。目前生物质碳材料在电化学储能、水处理等领域表现出较 好的应用前景。 关键词：碳材料；生物质；水处理 中图分类号：ＴＱ４２４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）１６－００６９－０２
１ 生物质碳材料的制备方法 １．１ 直接碳化法
直接碳化法是在氮气或氩气等惰性气氛下直接将生物质 进行高温处理，通 过 高 温 处 理 去 除 生 物 质 原 料 中 的 非 碳 元 素， 在高温条件下碳原子富集形成碳材料。生物质直接碳化得到 的碳材料由于缺乏活化剂的活化作用，比表面积较低。针对这 个问题，可以利用 生 物 质 种 类 结 构 的 多 样 性，选 用 富 含 活 化 剂 元素的生物质为原料直接进行碳化，得到高比表面积的纳米碳 材料。纳和钙等元素在高温下对碳原子有刻蚀作用，可以在碳 骨架中形成多孔结构，Ｅｎｃａｒｎａｃｉóｎ等人利用海藻中富含海藻酸 钠等成分的特点，利 用 钠 原 子 的 化 学 活 化 作 用，在 高 温 下 直 接 碳化海藻制备得到比表面积高达 １３０７ｍ２／ｇ活性炭，实现了低 成本的高比表 面 积 活 性 炭 的 制 备 ［５］。苦 楝 树 叶 子 富 含 钙 镁 等 矿物质，在高温作 用 下 钙 可 以 通 过 化 学 活 化 实 现 造 孔 的 作 用，
大幅度提高碳材料比表面积。直接碳化苦楝树叶子制备得到 的多孔碳比表面积可以高达 １２３０ｍ２／ｇ，而低钙含量的无忧树树 叶经同样条件碳化后比表面积仅为 ７０５ｍ２／ｇ［６］。
１．２ 化学活化法
直接碳化法 制 备 的 碳 材 料 一 般 孔 体 积 较 低，比 表 面 积 较 小，限制了其使用范围。化学活化法是利用化学活化剂的刻蚀 作用在高温下对碳骨架进行刻蚀，以达到提高碳材料比表面积 的作用。常用的化 学 活 化 剂 包 括 氢 氧 化 钾、氢 氧 化 钠、碳 酸 钾 和氯化锌等。氢氧化钾活化所得的碳材料比表面积较高（可达 ３０００ｍ２／ｇ以上），而成为目前最常用的化学活化剂［７］。在氢氧 化钾对碳的 活 化 作 用 中，既 包 括 氢 氧 化 钾 本 身 对 碳 的 刻 蚀 作 用，同时反应中形成的副产物二氧化碳可以起对碳材料起到物 理活化的作用，同 时 钾 原 子 能 插 入 碳 层 导 致 碳 层 的 膨 胀，三 者 协同作用使化学活化后的碳材料具有更高的比表面积和孔体 积。Ｍａｒｑｕｅｓ采用氢氧化钾作活化剂，苹果树枝做碳前驱体，在 高温下制备得到高比表面积碳材料，比表面积高达 ２４７２ｍ２／ｇ， 高的比表面积 使 其 在 水 溶 液 中 表 现 出 较 好 的 吸 附 能 力 ［８］。 在 化学活化过程中引入氮磷等杂原子，可以得到高比表面积的杂 原子掺杂碳材料。ＷｅｉＨｕａｎｍｉｎｇ采用菱角为前驱体，三聚氰胺 为氮源，以氢氧化钾为活化剂制备得到以微孔为主的高比表面 积氮掺杂碳材料，比表面积高达 ３４０１ｍ２／ｇ，该种碳材料表现出 良好的电容性能［９］。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｉｏｍａｓｓＣａｒｂｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ
ＪｉａｎｇＬｉａｎｇ１，ＷａｎｇＪｉｎｇ２
（１．Ｂｉｏ－Ｎａｎｏ＆ ＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＪｉｎｉｎｇＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｉｎｇ ２７２０６７； ２．ＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＪｉｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｕｆｕ ２７３１５５，Ｃｈｉｎａ）
生物质是指 利 用 光 合 作 用 形 成 的 生 物 有 机 体，包 括 植 物、 动物和微生 物。 生 物 质 属 于 可 再 生 资 源，在 自 然 界 中 存 在 广 泛，对其进行合理利用是实现可持续发展的重要途径。当前我 国对以农业废弃物为代表的生物质主要采用焚烧掩埋等方式 进行处理，不仅浪费了资源还造成了严重的环境污染［１］。由于 生物质含有丰富 的 碳 元 素，且 成 本 较 低，将 生 物 质 在 高 温 下 进 行脱氢脱氧处理制备得到碳材料是生物质利用的一种有效途 径 ［２］。近年来利用生 物 质 结 构 的 多 样 性 制 备 得 到 各 种 结 构 的 生物质纳米碳材 料，这 种 生 物 质 纳 米 碳 材 料 在 电 化 学 储 能、水 处理等领域得到了广泛的应用［３－４］。