氮掺杂多孔生物炭对甲苯的吸附行为与机理：孔隙结构与抗热老化性能的视角

本研究通过玉米芯与KHCO3和(NH4)2C2O4·H2O共热解制备氮掺杂生物炭，系统探究其孔隙结构调控、甲苯吸附性能及热老化稳定性，为废弃资源化与VOCs（挥发性有机物）高效治理提供创新策略。

　　

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Materials

KHCO₃、(NH₄)₂C₂O₄·H₂O和HCl购自麦克林生化有限公司（上海），甲苯来源于阿拉丁生化科技有限公司（上海），所有化学品均为分析纯级别。

Preparation of biochar

本研究所用玉米芯采自山东德州农产品商店。预处理后的玉米芯粉末在氮气（N₂）氛围的管式炉中以10°C/min速率升温至目标温度（600°C、750°C或900°C），并保温2小时。冷却后，样品经0.1 M HCl洗涤并干燥，得到未掺杂生物炭（BC600、BC750、BC900）。氮掺杂生物炭（N-BC）的制备通过将玉米芯与KHCO₃和(NH₄)₂C₂O₄·H₂O按质量比1:1:1混合后同步热解完成，后续处理步骤同上，所得样品标记为N-BC600、N-BC750和N-BC900。

Surface morphology

生物炭的表面形貌如图2所示。未掺杂BC样品表面相对光滑，碳骨架缺乏明显孔隙分布，整体结构疏松（图2a-c）。相比之下，N-BC样品表面显著粗糙且呈现多孔特征，具有致密的蜂窝状孔隙结构（图2d-f）。值得注意的是，N-BC900展现出高度不规则且密集分布的孔网络，孔隙明显暴露于表面，这为污染物吸附提供了丰富的活性位点和传输通道。

Conclusion

本研究证明氮掺杂可有效改善生物炭的孔隙结构和表面官能团。氮掺杂促进了分级孔隙架构（微孔和介孔）的发育，为甲苯吸附提供了高密度吸附位点和高效传输通道。由于富集的氮官能团（如吡啶氮、吡咯氮和石墨氮）可优化碳表面电子分布，氮掺杂增强了生物炭对非极性VOCs的亲和力，并显著提升了其吸附容量与热稳定性。N-BC900在30次热老化循环后仍保持最优结构完整性，归因于其致密且高度发达的分级孔隙可有效抵抗热诱导机械应力。该研究为设计高性能、长寿命VOCs吸附材料提供了理论依据和技术路径。