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为解决传统化学活化法制备高比表面积碳材料存在的环境与健康风险问题，研究人员开展以木质纤维素（LC）替代化学试剂活化生物炭（BC）的研究。结果使材料比表面积从 151 m2/g 增至 377 m2/g，CO?吸附量达 37 mg/g，为绿色制备碳材料提供新路径。
全球变暖如同一朵巨大的乌云笼罩着地球，其核心推手之一便是不断攀升的二氧化碳（CO?）浓度。在应对 CO?减排的众多技术中，高效吸附材料的开发至关重要。传统制备高比表面积碳材料的化学活化法，虽能通过氢氧化钾（KOH）、氯化锌（ZnCl?）等试剂提升材料孔隙率与表面积，但这些化学试剂具有腐蚀性，存在安全 handling、环保 disposal 等难题，且易造成环境污染，亟需绿色替代方案。虽然二氧化碳气体或蒸汽活化法避免了化学品使用，却面临 scalability 和 efficiency 瓶颈。在此背景下，利用生物质中的木质纤维素（LC）作为天然活化剂成为新方向。
来自朝阳科技大学的研究人员开展了相关研究，旨在探索以木质纤维素替代化学试剂制备高比表面积碳材料的可行性，该研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》。
研究采用的主要关键技术方法包括：将松树皮粉末在 180℃下进行 24 小时水热处理，得到保留完整木质纤维素的 LC；将松树皮在 850℃下直接热解 2 小时制备生物炭（BC）；将生物质与木质纤维素按比例混合，通过热解过程中木质纤维素分解产生的气体（如 CO?、CH?）在生物炭中造孔，形成高表面积碳材料（HSC）。同时运用 X 射线衍射（XRD）分析材料晶体结构，比表面积及孔隙度分析（BET）测定表面面积，高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）观察微观结构，X 射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析化学组成与结构缺陷，还进行了 CO?吸附动力学实验。
木质纤维素（LC）与生物炭（BC）的制备
- 松树皮粉末经 180℃、24 小时水热处理，保留木质纤维素，清洗干燥后得 LC。
- 松树皮在 850℃热解 2 小时，去除大部分官能团，制得 BC。
材料结构与组成分析
- XRD 分析：LC 样品在 15.04°、22.6°、24.5° 等角度出现特征峰，对应纤维素 Iβ 的不同晶面，表明存在结晶纤维素，同时还检测到无定形碳、二氧化硅和碳酸钙。
- HR-TEM 成像：HSC_2 样品中可见透明区域的石墨域（呈现纳米洋葱状结构）与无定形区域共存，显示出混合碳结构。
- XPS 与拉曼光谱：证实材料含 sp2 杂化碳，存在结构缺陷，表明发生部分石墨化。
比表面积与吸附性能
- BET 分析显示，经木质纤维素活化后，材料比表面积从 BC 的 151 m2/g 显著提升至 377 m2/g，提高了 2.4 倍。
- CO?吸附实验表明，HSC_2 的 CO?吸附容量约为 37 mg/g，吸附动力学符合准一级模型，说明物理吸附为主要机制。
研究成功开发了一种无化学活化的高比表面积碳材料制备方法。通过木质纤维素与生物炭的浸渍热解，实现了材料比表面积的大幅提升和良好的 CO?吸附性能。该方法避免了传统化学活化的环境危害，充分利用生物质中木质纤维素的天然热解特性造孔，兼具环保性与经济性。所制备的材料在气体吸附、能源存储等领域具有应用潜力，为绿色高效制备碳材料提供了新的技术路径，有望推动相关领域向可持续方向发展。
