賈佳昕 吳公勇 張仕超

摘要：隨著清潔能源的開(kāi)發(fā)利用，生物質(zhì)能以其清潔、可再生、可降解和多樣性等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)廢棄物的充分合理利用不僅可以產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以解決現(xiàn)場(chǎng)焚燒帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題。生物質(zhì)多孔炭材料由于來(lái)源豐富、綠色環(huán)保、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)、比表面積大、耐酸堿、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作土壤改良劑、污染物吸附劑、超級(jí)電容器等新型儲(chǔ)能裝置的電極材料，優(yōu)異的導(dǎo)電性等性能和特性。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);多孔碳;活化;超級(jí)電容器

1、生物質(zhì)多孔碳材料概述

1.1、生物質(zhì)

隨著工業(yè)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用清潔能源已迫在眉睫。生物質(zhì)能已成為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)是指所有直接或間接利用綠色植物進(jìn)行光合作用的有機(jī)物，包括所有植物、動(dòng)物、微生物以及這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物，具有可再生、可降解、清潔多樣的特點(diǎn)，是一種非常重要的可再生能源。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)和林業(yè)大國(guó)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物。這些廢棄物通常被焚燒，不僅造成生物質(zhì)能的浪費(fèi)，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

1.2、生物質(zhì)多孔碳材料

生物質(zhì)多孔碳材料是一種高芳香度、富含碳的多孔固體粉末，是在缺氧或絕對(duì)氧條件下，通過(guò)生物質(zhì)熱解、炭化和活化得到的。目前，對(duì)生物質(zhì)多孔碳材料的研究較多。常見(jiàn)的生物質(zhì)廢棄物有香蕉皮、柚子皮、樹(shù)葉、稻草、花生殼、核桃殼等。生物質(zhì)多孔炭材料具有來(lái)源豐富、制備方法簡(jiǎn)單、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)。它們廣泛應(yīng)用于重金屬和有機(jī)污染物的吸附、電極材料等領(lǐng)域。

2、生物質(zhì)多孔碳材料的制備

生物質(zhì)多孔炭材料通常是由生物質(zhì)原料碳化活化而成。因此，炭化和活化是生物質(zhì)多孔炭材料制備過(guò)程中最重要的兩個(gè)過(guò)程。

2.1、碳化

最常用的碳化法有直接碳化法和水熱碳化法。

1）直接碳化法

直接炭化是將生物質(zhì)放入管狀爐中，在氮?dú)饣驓鍤庵袩峤獾玫教嘉镔|(zhì)的一種方法。自然界中生物量種類繁多，各種生物量中元素的種類和含量差異很大。因此，碳化溫度和碳化時(shí)間對(duì)材料的孔隙結(jié)構(gòu)和微觀形貌有很大的影響。以棉、棉麻、亞麻織物為原料，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，采用直接碳化法制備了不同溫度下的柔性多孔炭材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，材料的石墨化程度增加。8500℃下制備的炭材料石墨化程度最高，亞麻織物制備的多孔炭材料比表面積為650m2g-1，主要為微孔結(jié)構(gòu)。采用直接炭化法，以每分鐘10℃升溫速率，在不同溫度下制備了2h的滸苔基生物炭，并用HCl和HF對(duì)其進(jìn)行了改性。

2）水熱碳化法

水熱炭化法是指以水溶液為介質(zhì)，將生物質(zhì)原料和水溶液置于封閉系統(tǒng)中，通過(guò)加熱加壓，使生物質(zhì)在常溫常壓下炭化反應(yīng)正常進(jìn)行的方法。椰子殼和污泥按不同比例混合均勻后，轉(zhuǎn)移到220℃的反應(yīng)釜中，加熱3h，進(jìn)行水熱炭化。以KOH為活化劑，在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)一步炭化7000C。當(dāng)椰子殼與污泥的比例為1∶3時(shí)，最大比表面積為3003 M2g-1。在電流密度為0.5 Ag-1時(shí)，比電容為420 Fg-1。以桂花為原料，通過(guò)水熱預(yù)碳化和活化碳化法制備了具有良好電化學(xué)性能的多孔炭材料。水熱炭化法所需溫度較低，一般在160℃～ 250℃之間。然而，水熱炭化法制備的多孔生物質(zhì)碳材料比表面積小，孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，需要進(jìn)一步的活化過(guò)程才能形成孔隙。

2.2活化

一般情況下，直接碳化和水熱碳化法制備的碳材料孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，需要進(jìn)一步活化來(lái)提高孔隙率和比表面積?；罨饕侵干镔|(zhì)原料或前體在碳化過(guò)程中與活化劑發(fā)生反應(yīng)形成多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程。有兩種活化方法：物理活化和化學(xué)活化。

1）物理活化法

物理活化法又稱氣體活化法，是指在炭化過(guò)程中通過(guò)引入H2O、CO2、O2等氣體來(lái)獲得多孔炭材料。物理活化方法分為兩步：第一步是在保護(hù)氣體中預(yù)碳化生物質(zhì);第二步是在活性氣體中活化。Villella等人。以二氧化碳為活性氣體，椰子殼為原料。800℃下制備的多孔炭材料比表面積達(dá)到1452m2g-1，孔容為0.65m3g-1。

2）化學(xué)活化法

化學(xué)活化是生物質(zhì)原料或前驅(qū)體與活化劑混合均勻后，在惰性氣體保護(hù)下高溫?zé)峤獾倪^(guò)程。與物理活化法相比，化學(xué)活化法因其易于控制的過(guò)程和更為豐富的孔隙結(jié)構(gòu)而得到廣泛的應(yīng)用。目前最常用的化學(xué)活化劑有KOH、K2CO3、ZnCl2、H3PO4等。Selvan等以橡果殼和KOH為活化劑，制備了比表面積為796 m2g-1的多孔碳材料，而沒(méi)有KOH活化的碳材料比表面積為334 m2g-1，說(shuō)明KOH活化對(duì)提高材料比表面積有顯著作用。Hong等以H3PO4為活化劑，制備了比表面積為1272 m2g-1的柚皮基多孔碳材料，表面形貌為三維連接結(jié)構(gòu)。Ucar以石榴籽為原料，ZnCl2為活化劑，分別在600℃和800℃下制備了兩種多孔炭。600℃下制備的材料比表面積大，為978.8m2g-1。同時(shí)，浸漬率和炭化溫度對(duì)多孔炭材料的表面形貌和孔結(jié)構(gòu)有顯著影響。

3、生物質(zhì)多孔碳材料的應(yīng)用

生物質(zhì)炭材料在土壤改良劑、污染物吸附劑、新型儲(chǔ)能裝置電極材料等方面有著廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代，能源問(wèn)題與各國(guó)的命運(yùn)息息相關(guān)，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著社會(huì)的發(fā)展，太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物能等清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

這些清潔能源并不是直接可以得到的，因此高效的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置引起了大量研究者的關(guān)注。超級(jí)電容器作為一種新型的綠色儲(chǔ)能設(shè)備，具有充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、新能源、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域。

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