咖啡渣催化转化制备石墨化生物碳及纳米管结构的创新研究

本研究针对生物质废弃物高值化利用难题，创新性地采用Ca/Fe催化剂将咖啡渣转化为具有石墨烯壳层、纳米管结构的多功能生物碳。通过系统探究温度对催化剂行为的影响，发现Ca催化形成高孔隙石墨结构（Lc=14.38 nm）和直径58.48-93.64 nm的纳米管，而Fe催化产生非多孔结构（Lc=4.06 nm），为生物质衍生碳材料在能源存储与催化领域的应用提供新策略。

　　

随着全球对可持续发展和循环经济的重视，如何将废弃生物质转化为高附加值材料成为研究热点。咖啡渣作为全球年产量超过600万吨的典型有机废弃物，其高碳含量（约51.3%）和独特组分（含39%半纤维素、12%纤维素、24%木质素）使其成为制备先进碳材料的理想前体。然而，传统生物质热解获得的碳材料通常呈现无序结构，而制备石墨烯等有序碳材料往往需要昂贵催化剂或极端条件（2800°C以上），严重制约其实际应用。

针对这一挑战，国外研究团队在《Materials Today Communications》发表创新成果，首次系统比较了Ca和Fe两种催化剂对咖啡渣石墨化过程的差异化影响。研究通过多尺度表征技术揭示：Ca催化剂通过碳化钙（CaC₂）中间体分解机制，在1200-1800°C温度梯度下形成独特的多孔石墨结构，其纳米管直径随温度升高从58.48 nm增至93.64 nm；而Fe催化剂则通过溶解-沉淀机制形成非多孔结构，且意外地未产生预期中的碳纳米管。这一发现颠覆了传统认知，为生物质衍生碳材料的可控合成提供了新思路。

研究采用热重分析（TGA）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、拉曼光谱（Raman）和X射线衍射（XRD）等关键技术，系统追踪了催化剂与碳基质的协同演化过程。特别通过原位观察发现：Ca催化剂在1600°C后因CaC₂分解而逐渐气化，导致1800°C时石墨堆叠高度（L_c）从10.98 nm骤降至3.07 nm；而Fe催化剂则以Fe₃C形式稳定存在，促进石墨晶面横向生长（L_a达24.27 nm）。

在结构演化方面，SEM图像清晰显示Ca催化样品呈现独特的"蜂窝状"多孔结构，其纳米管密度随温度升高而增加。TEM分析进一步证实，Ca催化样品在1600°C达到最佳结晶度（层间距d₀₀₂=0.358 nm），而Fe催化样品则保持更稳定的层状结构。拉曼光谱数据显示，Ca催化样品的缺陷率（I_D/I_G）在1400°C最低达0.2，显著优于Fe催化样品。XPS分析则揭示Ca催化样品具有更高的sp²杂化碳含量（72.8%），与BET比表面积（35.6 m²/g）呈正相关，这种特性特别适用于电化学应用。

该研究的重要意义在于：首次阐明Ca催化剂在生物质石墨化中的独特作用机制，突破传统过渡金属催化剂的局限性。所开发的工艺在相对低温（1800°C）下即可获得兼具高结晶度和大比表面积的石墨化生物碳，其产率可达初始生物质的17.99%。这种"废弃物到高端材料"的转化策略，不仅为咖啡渣等生物质废弃物的高值化利用开辟新途径，更为设计下一代能源存储（如锂离子电池阳极）和环境催化材料提供了重要理论依据。特别值得注意的是，研究发现Ca催化产生的结构缺陷可增加锂离子扩散位点，这与近期关于缺陷增强电池性能的报道相呼应，展现出广阔的应用前景。

研究团队特别指出，相比传统Fe催化剂，Ca催化剂在过程中自发气化的特性免除后续酸洗步骤，更符合绿色化学原则。这种"自清洁"特性结合咖啡渣原料的广泛可得性，使该技术具备显著的工业化潜力。未来研究可进一步优化Ca/Fe双金属催化体系，探索在更宽温度范围内调控碳纳米管与石墨烯壳层比例的方法，推动生物质衍生碳材料从实验室走向实际应用。