华中农业大学易宝军副教授团队联合高丽大学Yong Sik Ok教授课题组 | 生物质基石墨碳材料的制备与应用研究进展

随着全球对可持续发展和环境保护关注度的日益提升，石墨碳材料在能源与环境领域的应用研究呈现爆发式增长。传统的石墨生产高度依赖化石燃料或矿物开采，难以满足可持续发展目标（SDGs）。

针对上述挑战，华中农业大学工学院易宝军副教授团队联合高丽大学Yong Sik Ok教授课题组在Sustainable Carbon Materials发表了题为“Sustainably graphitizing biomass into advanced carbon materials for energy and environmental applications”的综述文章。该研究系统探讨了生物质组分的石墨化潜力，总结了低功耗制备技术，并从全生命周期评价（LCA）与环境、社会和治理（ESG）角度评估了生物质基石墨碳（BBGC）的独特优势。

图文解读

生物质组分对石墨化过程的调控机制

生物质的三大主要成分在石墨化过程中发挥着截然不同的作用：

1. 纤维素（Cellulose）：作为核心前驱体，通过其稳定的微纤结构调节碳骨架重构，显著提升产物的有序度和结晶度。
2. 半纤维素（Hemicellulose）：因其无定形支链结构易于解聚，能产生小分子碳物种并驱动芳构化，从而优化产物的微观结构。
3. 木质素（Lignin）：天然的芳香族聚合物，为石墨化提供必不可少的芳香碳源，通过高温热处理即可形成高质量石墨结构。此外，淀粉（Starch）通过其凝胶化能力为石墨微晶生长提供空间，而碱/碱土金属（AAEMs）则能有效降低石墨化活化能并提升产率。

图1.生物质组分在石墨化过程中的作用机制

多元化的生物质基石墨碳制备方法

为克服传统石墨化工艺高能耗的瓶颈，研究人员开发了多种创新制备路径：

1. 催化石墨化（Catalytic Graphitization）：利用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等过渡金属，在低于1000°C的温度下实现无定形碳向石墨碳的高效转化。
2. 同步活化石墨化（One-step Catalytic Activation）：在单一反应中引入活化剂和催化剂，制备出兼具高比表面积（超过1000m²/g）和高石墨化程度的孔隙材料。
3. 新兴制备技术：包括化学发泡法（制备高孔隙率纳米片）、水热碳化（HTC）、超声剥离以及旋涂煅烧法（制备掺杂薄膜）。

图2. 生物质石墨化及活化方法

能源存储与环境修复中的应用表现

1. 储能领域：BBGC 凭借优异的导电性和可调控的孔隙结构，在超级电容器中实现了高能量密度与功率密度的平衡。在钠离子电池（SIBs）应用中，通过层间距调控和杂原子掺杂，有效解决了钠离子嵌入动力学缓慢的问题。
2. 环境治理：负载铁纳米颗粒的 BBGC 可通过还原、络合和沉淀作用高效去除重金属离子；而氮（N）改性的石墨碳则在光催化降解有机污染物（如四环素、双酚A）中表现出卓越的电荷分离效率和稳定性。

图3.石墨碳在催化降解污染物领域的应用

LCA与ESG：绿色生产的基石

从ESG视角看，BBGC 作为一种负碳技术，不仅能显著减少温室气体排放，还能避免传统矿物石墨开采带来的生态破坏和社会伦理问题（如童工现象）。通过LCA框架评估，从原料本地化采购、低能耗预处理（如微波辅助）到末端废旧器件回收，BBGC全生命周期展示了极佳的可持续性。

图4.从ESG的角度看BBGC

总结

本综述系统阐述了BBGC从原料选择、机理调控到终端应用的全链条研究进展。研究指出，未来的突破点在于利用人工智能（AI）构建预测模型优化工艺参数，并进一步降低生产成本以增强市场竞争力。BBGC将作为一种环境友好、成本低廉的高性能材料，在实现联合国可持续发展目标（SDGs）进程中发挥关键作用。

该研究以“Sustainably graphitizing biomass into advanced carbon materials for energy and environmental applications”为题发表于 Sustainable Carbon Materials。华中农业大学工学院易宝军副教授为第一作者，易宝军副教授和高丽大学 Yong Sik Ok 教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.48130/scm-0026-0003