从生物炭的硫硫化过程中获得的材料

《Materials Horizons》：Materials derived from a sulfur vulcanization of biochar

生物炭与硫磺通过高压硫化反应制备出高强度复合材料，压缩强度达382.5 MPa，杨氏模量165 GPa，接近结构钢性能。采用两步加压加热法，硫磺在液态下渗透生物炭孔隙，形成C-S和S-S共价键网络，氮气环境抑制氧化并增强致密性。该方法低成本、可持续，可应用于基础设施和交通领域，同时实现生物质碳固定与硫资源利用。

　　该研究介绍了一种利用生物炭与硫磺进行硫化反应，从而制备出具有优异机械性能的新型材料的方法。生物炭是一种通过无氧热解生物质材料（如木材、虾壳、藻类等）获得的高碳含量物质，其结构中包含多种官能团，但本身具有较高的孔隙率和机械脆性，导致其在直接应用中表现出较差的机械性能。为解决这一问题，研究者引入了硫磺，通过硫化反应增强了生物炭的化学稳定性与机械强度，使其成为一种具有潜力的可持续材料。

研究采用了一种两步加压热处理的方法，在受控气氛下对生物炭和硫磺的混合物进行加热。首先，将混合物置于压力模具中，加热至150°C，使硫磺由固态转变为液态并渗透进生物炭的孔隙中。随后，再次加压并加热至185°C，促使硫磺发生自由基聚合反应，形成交联网络。这一过程不仅提高了材料的密度，还显著增强了其机械性能。通过调整硫磺与生物炭的初始比例，研究者发现当硫磺含量达到80%时，所制备的材料表现出最佳的机械性能，其压缩强度可高达382.5 MPa，接近结构钢的强度水平。同时，其杨氏模量可达165 GPa，表现出良好的刚性。此外，该材料的密度仅为1.4 g/cm3，远低于传统金属材料，但仍具备较高的强度，显示出其在轻量化材料中的潜力。

在实验过程中，研究者对不同硫磺比例（20%至80%）的材料进行了系统的性能测试，并结合热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、电子自旋共振（ESR）以及X射线光电子能谱（XPS）等手段，深入探讨了材料的化学反应机制。实验结果显示，当在氮气气氛下进行反应时，材料的密度和机械性能显著优于在空气中制备的样品。这表明，氮气环境有助于减少副反应的发生，如硫磺的氧化反应，从而提高交联效率。此外，XPS分析进一步证实了硫磺与生物炭表面官能团之间的化学键合，形成了C–S和S–S等稳定的共价键，这可能是材料机械性能提升的关键原因。

在结构分析方面，扫描电子显微镜（SEM）和X射线断层扫描（X-ray tomography）的结果显示，硫磺的加入显著减少了生物炭材料的孔隙率。在氮气气氛下，孔隙率可降低至2%以下，而空气中则仍保留约10%的孔隙。这种结构上的优化不仅提升了材料的机械强度，还改善了其整体的物理性能。进一步的机械测试表明，BS材料在压缩过程中表现出良好的弹性行为，其应力-应变曲线显示材料在较低应变下呈现弹性变形，而在高应变时发生断裂，这表明其具备一定的延展性和韧性。

值得注意的是，该方法在环保方面也展现出独特的优势。硫磺作为常见的工业副产品，成本低廉且来源广泛，这使得BS材料的制备过程更加经济和可持续。同时，实验还检测了硫磺反应过程中可能释放的气体，如二氧化硫（SO?）和硫化氢（H?S）。结果表明，尽管反应过程中会生成少量的SO?，但通过优化反应条件，如使用氮气环境，可以有效减少这些有害气体的排放。此外，H?S的检测结果显示其生成量极低，进一步证明了该方法的环境友好性。

BS材料的应用前景十分广阔。由于其优异的机械性能和低密度特性，该材料有望在基础设施和交通运输领域替代部分金属材料，用于制造轻质但坚固的结构部件。此外，该方法还可用于生物质衍生碳的储存，有助于减少温室气体排放并促进碳循环。研究者还指出，虽然目前BS材料的性能已接近某些高性能工程材料，但其在抗疲劳、耐久性和防火性等方面仍需进一步研究，以确保其在实际应用中的可靠性。

从实验设计的角度来看，该方法具备一定的可扩展性。研究者在实验室规模（几克）上成功实现了BS材料的制备，并提出未来可尝试在更大规模上应用该技术，如通过压缩成型等工业方法。同时，研究团队也强调了在实际应用过程中需要注意的安全问题，尤其是在加热硫磺时，可能会产生有毒气体，因此必须严格控制反应条件，以避免潜在的安全风险。

综上所述，该研究通过引入硫磺与生物炭的交联反应，成功开发出一种具有高强度和高稳定性的新型材料。该材料不仅具备良好的机械性能，还展现出可持续性和低成本的优势，为未来在绿色材料科学领域提供了新的思路和方向。同时，该方法在环境友好性和安全性方面也表现出良好的前景，为实现碳中和目标提供了可行的解决方案。未来的研究可以进一步探索该材料的长期性能、可扩展性以及在实际工程中的应用潜力，以推动其在更广泛领域的应用。