【原】AS综述：生物质衍生碳材料及其应用进展

生物质因其可持续性、低成本和高碳含量而被认为是制造功能性碳材料的有前途的来源。生物质衍生碳材料（BCMs）一直是一个蓬勃发展的研究领域。BCMs具有结构新颖、合成方法多样、应用多样等优点。然而，最近并没有对BCMs相关研究不同方面的众多研究的综述。

基于此，本文对BCMs相关研究进展进行了综述。本文介绍了用于制备BCMs的典型生物质类型。由于BCMs的性能和性能与其结构密切相关，因此对BCMs的可变结构进行了总结。全面回顾了具有代表性的综合策略，包括其优点和缺点。此外，讨论了合成条件对制备炭素产品结构的影响，为BCMs制备工艺的合理设计提供了重要信息。报道了基于其形貌和理化性质的BCMs在多功能应用方面的最新进展。最后，强调了BCMs的仍存在挑战。总体而言，本文综述了BCMs的当前知识和最新进展，并概述了BCMs未来研究发展的方向。

图1. a） VOSviewer 软件使用来自 Web of Science 的书目数据创建的 BCMs 的关键词网络可视化。b） 2011年至2021年含有“生物质衍生碳”的年度发表论文数量。c） 根据 Web of Science，BCMs 研究生产力排名前 10 位的国家。

如上所述，考虑到生物质在废物管理、生物质增值和低碳排放方面的好处，将生物质转化为高附加值的碳产品具有重要意义。事实上，关于BCMs的研究越来越受到关注，并且正处于蓬勃发展的时期，如图1b所示，从2001年到2021年，BCMs的发表数量不断增加。BCMs的开发和应用研究是在世界范围内进行的，中国、美国、印度、德国和韩国等国家在这一领域处于领先地位，如图1c所示，其中列出了十大生产国家。

BCMs的各种来源、结构、制备方法和多种应用

上图总结了本文的主要内容。本文旨在为研究人员提供BCMs的全面综述，以推动BCMs的进一步发展。

1. 两种典型的生物质前体

从广义上讲，生物质前体可分为两类：植物生物质和动物生物质。植物生物质通常是通过光合作用合成的，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。动物生物质是指动物的排泄物或残留物，由蛋白质、矿物质或壳聚糖、几丁质等多糖组成。

图2. BCM 制备的典型动植物生物质前体

2. 生物质衍生碳材料（BCMs）的结构

由于生物质前驱体和合成方法的不同，得到的碳材料具有不同的结构。BCMs的结构设计对于其性能表现的提高至关重要。该综述从维度和孔结构两个方面入手，对报道的BCMs具有的物理结构进行总结，并讨论了各种类型的碳材料结构适合的应用领域。图3 总结了BCMs的不同结构。

图3. BCMs的各种结构示意图。左：具有各种尺寸的BCMs的典型结构。右：BCMs的不同孔结构和多孔结构的合成方法。

3. 生物质衍生碳材料的合成

虽然生物质前驱体具有多种分子结构，但制备BCMs过程中常见的转化阶段包括分解、聚合、芳构化、碳化和石墨化，如图4所示。值得注意的是，金属元素和其他杂元素在生物质前驱体中的存在是不可避免的。但前驱体中的金属含量相对较低，碳化后可通过酸处理除去。杂原子可以通过直接碳化原位引入碳基体中，得到杂原子掺杂的碳，并且可以通过高碳化温度将其消除。为了获得具有不同结构的碳质材料，人们利用了许多方法，例如HTC、热解和其他方法，包括激光/等离子体/微波辅助方法，如图4所示。该综述讨论了不同生物质前驱体的碳化过程，并介绍了BCMs的典型合成策略。

图4. 生物质前驱体向碳质材料的转化过程及典型制备方法综述。上图：从生物质前躯体到碳的转化过程。下图：不同的制备方法和工作温度，以及每种方法的典型碳产物。

4. 生物质衍生碳材料的应用进展

该综述总结了BCMs在能源、电子器件、环境等领域的应用进展。值得注意的是，利用生物质前体的特殊结构进行材料设计，可以提升BCMs的性能表现。比如，研究者们利用硬木松木屑中的微通道结构，开发设计了硬木松基碳材料用于锂硫电池，发现微通道的物理限域作用可以提高电池的耐用性。此外，基于仿生学原理进行生物质碳材料的开发设计也可以提高BCMs的应用潜力。近期的研究报道了利用生物质制备具有类似狗鼻甲褶皱结构的碳材料，可用于氨气检测。BCMs还在水处理、电磁屏蔽、抗磨擦材料等领域大放异彩。

结论和未来展望

本文介绍了BCMs的不同类型的生物量前体和结构。详细讨论了具有代表性的合成方法及其特点。此外，还综述了BCMs在多功能应用中的最新进展。这些总结和分析表明，BCMs的研究已经取得了重大进展，这一研究领域仍然备受关注。将生物质转化为功能性碳材料具有较高的经济价值，有利于可持续发展。然而，尽管最近在BCMs研究方面取得了成就，但仍有许多挑战有待解决。

在BCMs的机理研究、合成方法、生物量前体、杂原子掺杂研究及应用等方面面临的挑战与展望综述。

生物质前驱体

应更加重视生物质废物作为生物安全管理前体的再利用。如本综述所述，每年产生大量的生物质废物，再利用可以成为处理生物质废物的可持续和经济的方式。目前，与所获得的BCMs结构密切相关的生物量前体的特征在报道的文献中明显不足。例如，杂原子掺杂的BCMs被广泛报道，而生物质前体中杂原子的含量很少在文献中得到表征和报道。此外，由于生物质前体的组成多变，由同一类型的生物质前体生产的碳材料的结构可能大不相同。因此，对选定的前驱体进行预处理，包括化学纯化或萃取，有利于实现BCMs的可控合成。

生物质衍生碳材料的合成

迄今为止，传统的合成方法，如热解和HTC，已经很好地将生物质转化为碳质材料。然而，其中许多方法既费时又耗能。最近已经开发了新型碳化方法，包括激光诱导碳化和微波辅助碳化。然而，这些方法的碳化过程仍然发生在高温下。因此，考虑到其低能耗，低温石墨化的研究是值得的。需要更环保、污染物排放更少、能耗更低的合成方法。

BCMs合成的另一个挑战是实现大规模生产。在报告的研究工作中，报告的最大产量是克级的，不能满足工业化或商业化的要求。同时，应进一步发展机器学习方法，对BCMs合成进行合理设计和精确控制。目前，实验数据库不足以构建有效的机器学习模型。为了实现这一目标，材料科学家和机器学习专家之间需要更多的合作。此外，尽管一些研究已经解决了BCMs的成本效益，但很少有研究将成本会计纳入其中。

形成机理研究

生物质的热解是BCM制造中最关键的工艺。已经提出了BCM在碳化过程中的多种形成机理。然而，这些机理主要基于对碳化过程中的气态产物和质量损失的分析，不能充分确定发生的反应顺序和确切的转化阶段。因此，迫切需要原位表征来探测详细的形成机理，这对于实现BCMs的可控合成至关重要。此外，原位技术有望探测碳化过程中化学活化的机理，以制备具有超高SSA和孔隙率的多孔BCMs。

杂原子掺杂

许多研究表明，杂原子掺杂的碳材料表现出更好的电化学性能，因为杂原子掺杂会增加缺陷和活性位点并改变表面性能。然而，可控的杂原子掺杂仍然是BCM合成的挑战。杂原子掺杂含量往往是不可预测的，掺杂机理尚不明确。例如，掺杂的N原子以多种类型存在，包括吡咯酸N、吡啶N、石墨N和氧化N，但每种N类型在增强BCM性能方面的确切作用仍有待进一步研究。此外，可调谐杂原子掺杂迫切需要研究碳化参数与杂原子掺杂之间的关系。

生物质衍生碳材料的应用

对于某些应用，BCMs的内在性能并不令人满意。例如，BCMs缺乏作为电催化剂的活性位点，通常用作金属催化剂的载体。添加金属不仅增加了成本，而且还涉及化学试剂的使用。因此，未来的研究应侧重于通过原位表征或理论计算来确定BCMs的确切活性位点。这可为制备活性位点丰富的BCMs提供指导，可以提高BCMs的内在性能，降低金属催化剂的负载质量。此外，BCMs可能还有新的应用。第一个是基于BCM的生物传感器，用于检测COVID-19。COVID-19的爆发造成了严重的全球发病率和死亡率，并抑制了全球经济的发展。尽管BCM在生物传感器领域显示出巨大的潜力，但尚未报道基于BCM的生物传感器用于检测COVID-19的研究。相关工作对于及时诊断COVID-19以阻止其在某个地区的进一步传播具有意义。BCMs的另一个可能应用是3D打印。近年来，由于3D打印技术的发展，以快速，低成本的方式实现了具有复杂几何形状的材料制造。碳材料已作为可印刷油墨的导电添加剂广泛用于3D打印。然而，BCMs在3D打印中的使用尚未得到研究。我们相信3D打印技术能够促进BCMs的应用，特别是在能源，电子和工程复合材料中。

本文综述了BCMs制备方法、性质和应用的最新进展，并提出了BCMs未来发展的挑战和方向。我们希望这次审查能够加速BCMs在广泛的新应用中的未来发展。

文献信息：

Functional Carbon from Nature: Biomass-Derived Carbon Materials and the Recent Progress of Their Applications

Hongzhe He, Ruoqun Zhang, Pengcheng Zhang, Ping Wang*, Ning Chen*, Binbin Qian, Lian Zhang, Jianglong Yu, Baiqian Dai*

Advanced Science

https:///10.1002/advs.202205557