从天然木材制备高性能分级多孔碳：开启有机污染物治理新征程

含染料和抗生素的废水危害大，传统处理技术有局限。研究人员开发从天然木材制备分级多孔碳（HPC）的两步法。优化后的 HPC 性能优异，该研究为制备高性能 HPC 提供新途径，揭示了成分 - 结构 - 性能关系。

　　在环境治理领域，废水处理一直是个棘手的难题。含有染料和抗生素的废水就像隐藏在环境中的 “定时炸弹”，时刻威胁着生态系统和人类健康。比如亚甲基蓝（MB），这种在工业生产中广泛使用的合成染料，具有抗氧化和抗菌特性，常规的水处理方法很难将其彻底去除，它会随着废水排放进入自然水体，污染水资源。还有四环素（TC）这类抗生素，在环境中具有很强的持久性，长期存在会破坏生态平衡，引发各种生态问题，对人类健康也存在潜在风险。

目前常用的废水处理技术主要分为降解和物理吸附两类。生物降解技术虽然成熟且操作相对简单，但其反应速度缓慢，处理效率难以满足实际需求；化学降解虽然反应速度快，但成本高昂，还可能在处理过程中产生二次污染，可谓 “按下葫芦浮起瓢”。商业活性炭（AC）常通过 CO₂或蒸汽活化法制备，虽然能获得高比表面积和发达的微孔结构，却难以产生对吸附较大分子至关重要的中孔，在处理含有大分子污染物的废水时显得力不从心。

在这样的背景下，分级多孔碳（Hierarchical Porous Carbon，HPC）凭借其可调节的孔径、高比表面积和丰富的表面功能，成为废水处理领域的 “潜力股”。然而，传统用于制备 HPC 的模板法却问题重重，模板合成过程复杂、成本高昂，而且在去除模板时还需要使用腐蚀性强的试剂，如 HF，不仅增加了生产成本，还对环境不友好。

为了突破这些困境，来自南京工业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们另辟蹊径，开发出一种简单高效的两步法，利用天然木材制备 HPC。研究人员首先通过碱性预处理，巧妙地去除部分木质素和半纤维素，在木材原本致密的结构中创造出相互连通的空隙，为后续的孔隙形成和扩大奠定基础。然后，对经过预处理的木材进行 CO₂活化，成功制备出 HPC。

研究人员采用多种关键技术方法对制备的 HPC 进行深入研究。运用 N₂吸附 - 脱附技术来分析材料的孔隙结构，通过扫描电子显微镜观察材料的微观形貌，利用 X 射线衍射和拉曼光谱对材料的结构和成分进行表征。此外，还开发了一种多峰分离方法，实现对碳化木质素和纤维素的定量分析，从而探究材料的结构演变。

研究结果如下：

• 材料结构特征：经过一系列实验优化，制备出的 HPC（B3 - CO₂）表现出色，其比表面积（S_BET）高达 1484.5 m² g^?1，孔体积达到 1.66 cm³ g^?1，其中中孔占总孔体积的 79.52%。
• 吸附性能研究：以 MB 和 TC 为代表的有机污染物进行吸附实验，B3 - CO₂样本展现出卓越的吸附性能，对 MB 和 TC 的吸附容量分别达到 549.45 mg g^?1和 925.93 mg g^?1。
• 成分与性能关系：研究人员运用 DTG 解卷积技术分析 HPC 制备过程中半纤维素、纤维素和木质素的结构演变，发现纤维素组成与 HPC 的多项性能指标，如比表面积（S_BET）、孔体积、中孔比例、石墨化程度以及吸附容量等，都呈现出很强的正相关关系。

研究结论表明，该研究成功开发的从天然木材制备高性能 HPC 的两步法，不仅简单、绿色，而且制备出的 HPC 性能优异。这一研究成果意义重大，一方面为制备高性能 HPC 提供了新的绿色途径，降低了生产成本，减少了对环境的污染；另一方面，通过揭示从木材到 HPC 制备过程中成分 - 结构 - 性能之间的关系，为后续 HPC 材料的设计和优化提供了重要的理论依据。这一研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》，为环境治理领域在有机污染物去除方面提供了新的思路和方法，有望推动相关技术的进一步发展和应用。