综述：生物炭基电分析材料：迈向可持续的高性能电催化剂与传感器

这篇综述系统阐述了生物炭（Biochar）作为可持续电催化材料在能源存储（如超级电容器SC、锂离子电池LIB）、环境监测（重金属/有机污染物检测）和电化学传感领域的应用优势，重点解析了其大比表面积（>684 m2/g）、分级孔隙结构和可调控的氧化还原活性对电化学性能（如比电容达550 F g-1）的促进作用，并探讨了氮/硼共掺杂等改性策略对导电性（104.6 S cm?1）和催化选择性的提升机制。

　　

生物炭的电化学本质
生物炭的独特性能源于其多尺度结构特征。木质素衍生的生物炭因稳定的芳香结构展现出超高导电性（104.6 S cm^?1），而纤维素来源的生物炭则因微卫星结构缺陷导致导电性降低（48.8 S cm^?1）。磷酸活化处理的BC 800样品通过线性伏安测试（LSV）显示出显著增强的电流响应，电化学阻抗谱（EIS）证实其电荷转移电阻降低，这与其微孔-介孔分级结构（比表面积1449 m²/g）和磷掺杂诱导的赝电容行为密切相关。值得注意的是，竹基生物炭在锂离子电池中表现出250 mAh/g的可逆容量，这归功于其38 ?的微孔结构和丰富的持久性自由基。

表面特性与氧化还原调控
生物炭的醌/氢醌（C=O）和酚羟基等表面官能团在pH敏感型氧化还原反应中起关键作用。在酸性条件下，其表面自由基可活化氧分子生成·OH，实现砷（As(III)）的高效氧化；而碱性环境中，半醌型自由基主导的H₂O₂生成路径使污染物降解速率提升3倍。通过氮氧共掺杂策略，生物炭的电活性表面积可提升35%，在电芬顿反应中实现四环素30分钟近完全降解。

与传统材料的性能博弈
相较于石墨烯和碳纳米管（CNTs），生物炭虽本征导电性较低，但通过还原氧化石墨烯（rGO）改性可使比电容提升4.3倍至167 F g^?1。污泥基生物炭与泡沫镍复合制成的电极在连续运行12小时后仍保持稳定，其石墨化碳层和氮掺杂协同促进了氧还原反应（ORR）。特别值得注意的是，甘蔗渣衍生生物炭电极对Cu²⁺的检测限达0.36 μmol L^?1，在龙舌兰酒等真实样品中表现出优异抗干扰能力。

前沿应用突破
在微型化设备领域，柚皮衍生的氮掺杂生物炭传感器实现了2 nM级黄酮苷元超灵敏检测。三模态孔隙碳材料（Shaddock内皮制备）展现出46.88 Wh/kg的能量密度，93.7%的万次循环容量保持率。而海藻基自石墨化生物炭（HUB-2.0）凭借2296.7 m²/g的破纪录比表面积，在超级电容器中实现445.0 F g^?1的比电容。

挑战与未来方向
当前生物炭电极面临均一性差（不同热解温度产物电容差异达85%）、金属杂质干扰等问题。新兴的机器学习辅助热解参数优化和等离子体表面处理技术有望突破这些瓶颈。在环境应用方面，锌掺杂生物炭对Pb²⁺的选择性吸附能力为传统材料的1.7倍，但规模化生产成本（200-1850美元/吨）仍是产业化的主要障碍。未来研究应聚焦于开发自愈合导电复合材料，以及利用微藻生物炭构建可穿戴传感阵列等创新方向。