清华张莹莹团队综述生物质衍生碳材料的可控制备和多功能应用

　　成果简介
　　生物质衍生碳材料 (BCM) 因其多功能特性和广泛的潜在应用而受到科研人员的广泛关注。以前已经制备了许多 BCM，包括 0D碳球和点、1D碳纤维和碳管、2D碳片、3D碳气凝胶和分级碳材料。同时，它们的结构-性能关系和应用也得到了广泛的研究。
　　本文，清华大学张莹莹课题组在《Small》期刊发表名为＂Biomass-Derived Carbon Materials: Controllable Preparation and Versatile Applications＂的综述，研究旨在对 BCM 可控制备和潜在应用的最新进展进行综述，为未来的研究工作提供参考。 介绍了典型生物质的化学成分及其热降解机制。 总结了BCM的典型制备方法，并讨论了相关的结构管理规则。 介绍和讨论了改善 BCM 结构多样性的策略。 回顾 BCM 在能源、传感、环境和其他领域的应用。 讨论 BCM 领域的其他挑战和机遇。
　　图文简介
　　图1、具有多种结构和广泛应用的生物质衍生碳材料（BCM）概述。不同颜色的弧线代表不同的应用。
　　图2、生物质向碳材料的转化。主要因素：成分、碳化过程和其他加工策略。
　　2.1植物源生物质碳化
　　图3、HTC预处理和化学预处理的影响。
　　2.2 动物源生物质及其碳化
　　地球上有无数的动物，它们为制备不同种类的 BCM 提供了许多生物质资源。与植物相比，动物源性生物质含有更复杂的成分。几丁质和几种容易获得的蛋白质产品已被用于合成 BCM，
　　图4、基于几丁质的生物质和相应的 BCM
　　图5.基于丝绸的生物质和相应的 BCM。
　　2.3 碳化方法
　　在碳化过程中，生物质经历了许多反应，伴随着热量和化学物质的传输，导致形成具有不同结构、结构和特性的 BCM。碳化方法将直接决定 BCMs 的化学和物理性质，如形态、表面积、孔隙率、化学成分、官能团、石墨化程度等。此外，碳化方法对于保留一些宏观非常重要。/BCM 中生物质的微结构。下面将讨论几种典型的碳化方法，包括热解碳化、HTC、激光诱导碳化（LIC）和微波辅助碳化（MAC）。
　　图6.生物质的激光诱导碳化。
　　2.4 提高生物质衍生碳材料多样性的途径
　　除了选择合适的生物质前体和碳化方法外，还有一些其他策略可以控制 BCM 的结构和性质。这些策略在创建具有定制宏观/微观结构和各种元素掺杂的分层 BCM 方面表现出良好的性能，为实现 BCM 的广泛应用铺平了新的途径。在这一部分中，概述BCM 结构监管的最新趋势以及改善 BCM 多样性的一些基本原则。将讨论几种预处理和改性方法，包括提高生物质的热稳定性、活化、添加模板和催化剂。
　　2.5 生物质衍生碳材料的应用
　　各种结构和独特的化学特性使 BCM 具有许多商业和潜在应用。迄今为止，BCMs的商业应用主要是污染物吸附剂和低模量碳纤维。多孔 BCM 已广泛用于空气和水污染物的去除。致密的木质素基碳纤维已用于汽车和运动器材。在这一部分中，我们将强调与 BCM 的可控特性相关的能源、传感、环境和其他一些领域的潜在应用。
　　小结与展望
　　总之，综述了关于 BCM 的合成及其应用的进展。BCM 的结构和体系结构在决定其应用程序方面起着关键作用。根据生物质的原始宏观/微观结构是否在 BCM 中被继承，生物质的碳化可分为＂结构继承碳化＂和＂重组碳化＂。生物质含有大量化学物质，其种类/含量因物种而异，因此具有不同的降解机制。通常，含有较多结晶纤维素和较少半纤维素的植物生物质在通过 HTC 过程转化为 BCM 时可以保留原始结构。大多数几丁质生物质可以通过热解直接转化为 BCM。蛋白质作为所有生物体的重要组成部分，已被广泛用于合成含氮 BCM。许多因素会影响 BCM 的最终结构和特性。用于制备 BCM 的代表性工艺参数总结在 图   7。
　　尽管已经开发了各种生物质前体、碳化方法和其他策略来合成 BCM，但仍有许多挑战需要解决，以实现不同的应用目的。特别是在能量转换和存储领域，需要具有杂原子掺杂、大 SSA、高 TPV 和高石墨化程度的 3D BCM。此外，对于传感应用，具有高导电性、良好柔韧性、轻质和高化学稳定性的 BCM 是首选。例如，具有稳定微结构、高导电性和良好柔韧性的 BCM 可用于制造高性能柔性应变和压力传感器。然而，同时制备具有所有上述特性或性能的 BCM 仍然很困难。且对于 BCMs 在环境领域的应用，高 SSA、发达的多孔通道和丰富的表面官能团将有利于污染吸附和水净化。然而，为了提高SSA和孔隙率，化学活化处理和随后的杂质去除是必要的，这通常消耗额外的能量并产生大量的污染水。
　　最后，由于生物质的内在异质性，包括化学成分和物理结构，BCM 的机械性能较低，阻碍了其作为增强材料的应用。同时，BCM的大规模工业应用仍受到成本和生产规模的制约。例如，活化 BCM 的制备总是涉及高能耗的合成程序和腐蚀性化学品。 需要开发简单、绿色的制备方法来合成低成本、环保、高性能的 BCM。毫无疑问，具有可控结构和多功能特性的 BCM 将为能源和环境困境提供更多解决方案。
　　文献：
　　https://doi.org/10.1002/smll.202008079