综述：生物炭的综合评述：聚焦纳米特性与应用

这篇综述系统阐述了生物炭（biochar）的制备技术、理化特性及纳米化（nano-biochar, NB）应用进展，重点解析了热解（pyrolysis）、气化（gasification）和水热碳化（HTC）等生产工艺对表面面积（SSA）、孔隙率及元素组成（H/C、O/C比）的影响，并探讨其在环境修复（如重金属吸附）、能源存储（超级电容器电极）和催化（如生物柴油生产）等领域的创新应用，为可持续材料开发提供理论支撑。

　　

引言

生物炭是一种通过生物质在限氧条件下热分解获得的碳基材料，其历史可追溯至古代农业实践。近年来，因其在环境修复和工业应用中的潜力而备受关注。生物炭的组成、结构和性质显著依赖于原料类型和生产条件，例如热解温度升高通常会增加材料的表面积和孔隙率。

生物炭生产

热解

热解是最常用的生产方法之一，涉及在无氧环境中对有机化合物进行热分解，温度范围通常为300–900°C。根据加热速率和停留时间的不同，热解可分为慢速、快速和闪速热解。慢速热解（150–400°C）产生的生物炭具有较高的表面积，而快速热解（450–600°C）则倾向于减少生物炭产量，增加气体和液体产物的比例。闪速热解在极高温（>1000°C）下进行，主要用于生物油生产。

气化

气化是一种部分氧化过程，使用空气、氧气或二氧化碳等气化剂将生物质转化为气体产物。该过程主要分为干燥、热解、氧化和气化四个阶段。气化的主要目标是生产气体，因此固体生物炭的产量较低（5–10%）。

水热碳化（HTC）

HTC是一种在高温高压水环境中将生物质转化为碳质材料的过程。其优势在于可直接处理湿生物质，无需预处理，且反应温度较低（150–300°C），能耗较小。HTC产生的液体和气体副产物可用于能源生产。

纳米生物炭生产

纳米生物炭（NB）的尺寸小于100 nm，通常通过机械研磨（如球磨）或化学沉淀法制备。球磨是最常用的方法，通过调整球磨条件（如速度和球料比）可控制颗粒尺寸。纳米生物炭因其更高的表面积和表面电荷，在污染物吸附和催化应用中表现出优越性能。

生物炭的性质

物理性质

• 表面积：热解温度是影响表面积的关键因素。高温（>500°C）通常会增加表面积，但超过900°C可能导致孔隙塌陷。
• 持水能力：孔隙率高的生物炭持水能力更强，但温度过高会降低其亲水性。
• 机械稳定性：慢速碳化产生的生物炭结构更完整，机械强度更高。

化学性质

• 化学组成：H/C和O/C比是衡量生物炭芳香性和极性的重要指标。低H/C比表明更高的芳香性，而高O/C比表明更多极性官能团。
• pH值：生物炭通常呈碱性，且pH随热解温度升高而增加。

生物炭的活化方法

物理活化

通过蒸汽或CO₂
在高温下处理生物炭，以去除挥发性化合物并增加孔隙率。蒸汽活化通常在200–800°C下进行，而CO₂
活化则在更高温度（>700°C）下更有效。

化学活化

使用酸、碱或氧化剂对生物炭进行改性，以增强其吸附或催化性能。例如：

• 碱活化：KOH或NaOH处理可显著增加表面积和孔隙体积。
• 金属复合：铁或镍等金属的加入可提升催化活性，如用于重金属吸附或生物柴油生产。

生物炭的应用

环境修复

生物炭在废水处理、空气净化和土壤修复中表现出色。例如，稻壳生物炭对铅（Pb）和镉（Cd）的吸附效率分别可达85%和80%。

能源生产与存储

生物炭可作为微生物燃料电池（MFCs）的电极材料，其高孔隙率和表面积有助于提高电子传递效率。此外，活化后的生物炭在超级电容器中表现出高电容（如278 F/g）。

催化

生物炭作为催化剂或载体在生物柴油生产和甲烷干重整中具有潜力。例如，磺化生物炭在温和条件下可实现88%的酯化产率。

新兴应用

• 农业：改善土壤肥力和持水能力。
• 生物医学：作为药物载体或毒素吸附剂。
• 材料科学：增强水泥或聚合物的机械性能。

挑战与展望

尽管生物炭和纳米生物炭展现出巨大潜力，但仍面临毒性、规模化生产和技术优化等挑战。未来研究需进一步探索其化学和机械性能，以最大化其在可持续技术中的应用价值。