螺旋藻生物质绿色合成高性能石墨烯纳米片的实验与模拟研究

《BioEnergy Research》：Green Synthesis and Characterization of Graphene Nanosheets from Processed Arthrospira platensis Biomass: Experimental and Simulation Studies

本刊推荐：为解决传统石墨烯合成方法高成本、高污染问题，研究人员开展以加工钝顶螺旋藻生物质为前驱体的绿色合成研究，成功制备出比表面积达1439.5434 m2/g的石墨烯纳米片。该材料呈现典型六方晶系结构（XRD特征峰25.6°/42.8°）和适中石墨化程度（ID/IG=0.971），在分离、生物传感器和储能器件领域展现应用潜力，为可持续碳材料开发提供新范式。

　　

在纳米材料革命席卷全球的当下，二维碳材料石墨烯因其独特的物理化学性质成为解决能源与环境挑战的明星材料。然而传统化学气相沉积法等制备工艺存在能耗高、使用有毒试剂等问题，制约其可持续发展。生物质衍生碳材料虽能缓解原料危机，但藻类前驱体的转化效率与产物质量仍待突破。正是在此背景下，马来西亚大学研究团队另辟蹊径，将目光投向富含蛋白质（66.6%）和碳水化合物（12.7%）的钝顶螺旋藻（Arthrospira platensis）加工残渣，在国际期刊《BioEnergy Research》发表了一项融合实验与模拟的创新研究。

研究团队采用两步热解法这一经济可行的工艺路线：先在400°C进行3小时预碳化，再以4:1的碱碳比添加KOH催化剂，于550°C催化热解3小时。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察到原料的细长形态成功转变为片层结构，能量色散X射线光谱（EDX）显示碳含量从52.23%显著提升至84.73%，证实了高效碳化过程。X射线衍射（XRD）图谱中25.6°和42.8°的特征峰对应石墨烯的（002）和（100）晶面，拉曼光谱中1346 cm^-1（D带）、1593 cm^-1（G带）和2829 cm^-1（2D带）三峰并存，0.971的I_D/I_G值表明产物具有适度石墨化程度。最令人瞩目的是氮气吸附/脱附测试揭示其具备1439.5434 m²/g的超高比表面积和2.4654 nm的介孔结构，优于同类藻基材料。

关键技术方法包括：以加工钝顶螺旋藻生物质为原料，通过两步热解法（预碳化400°C→KOH催化热解550°C）合成石墨烯；采用FESEM/EDX、XRD、FTIR、拉曼光谱进行形貌与结构表征；通过BET法测定比表面积与孔结构；利用Aspen Plus软件建立过程模拟模型。

表面形态分析表明，原料的细长结构经热解后转化为相互连接的片层框架，这种形态演变是形成高比表面积的关键。

元素组成研究显示氧氮元素减少使（氧+氮）/碳比降低，材料疏水性增强，镁元素作为痕量组分被保留。

晶体结构鉴定中36°-38°的额外峰可能源于生物质矿物质，揭示了前驱体组成对结晶行为的影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实热解使酚羟基、羧酸盐等官能团降解，仅在1612 cm^-1保留芳香族C=C/C=O振动峰。孔隙特性方面，IV型吸附等温线和H4型回滞环证实材料以介孔为主，其结构参数与850°C制备的马尾藻石墨烯相当，凸显低温工艺优势。

值得关注的是实验产率（2.03%）与Aspen Plus模拟值（18.85%）存在显著差异，这种16.82个百分点的差距源于实际过程中的粉尘干扰、矿物催化效应等复杂因素，警示生物质转化模拟需进一步耦合多物理场模型。

该研究首次将螺旋藻加工残渣转化为高质量石墨烯纳米片，其绿色合成策略不仅为碳材料工业提供可持续原料来源，更开创了藻类高值化利用新路径。所获材料兼具高比表面积和可控孔结构，在污染物吸附、电化学储能等领域展示应用前景。未来通过优化热解参数与催化剂配伍，有望进一步提升产率并拓展至柔性电子器件等高端领域，为碳中和目标下生物质精炼技术发展提供重要参考。