综述：生物废弃物衍生的碳纳米材料与金属氧化物复合物的可持续合成及多功能应用

这篇综述系统阐述了生物废弃物（biowaste）转化为碳纳米材料（CNMs）及其金属氧化物复合物的绿色合成策略与技术路径，重点分析了水热碳化（hydrothermal carbonization）、化学气相沉积（CVD）和微波辅助（microwave-assisted）等制备方法，并探讨了其在能源存储（supercapacitors）、环境修复（Cr(VI)光催化降解）、生物医学（biosensors/antimicrobial agents）等领域的应用潜力，为循环经济（circular economy）目标下的纳米材料设计提供了前瞻性视角。

　　

生物废弃物衍生的碳纳米材料与金属氧化物复合物：从绿色合成到多功能应用

引言

全球每年产生数十亿吨农业、食品加工和林业生物废弃物，其不当处置导致温室气体排放和土壤污染。这些富含碳（40-60%）的废弃物可通过绿色转化技术制备碳纳米管（CNTs）、石墨烯（graphene）和碳量子点（CQDs）等材料，兼具高比表面积、可调孔隙率和优异导电性。与金属氧化物（如ZnO、TiO₂、Fe₃O₄）复合后，材料的光催化活性和电化学稳定性显著提升，形成"废弃物-高值材料-应用"的可持续闭环。

生物废弃物类型与碳纳米材料制备

农业废弃物（稻壳、甘蔗渣）因富含纤维素（40-50%）和木质素（15-25%）成为理想前体，通过热解（pyrolysis）可生成多孔碳纳米片；食品废弃物（果皮、海鲜废料）中的氮（3-7%）可自发形成氮掺杂碳点。水热法在180-260°C下将甘蔗渣转化为石墨烯量子点（平均尺寸2.26 nm），而微波辅助工艺能在800°C氩气氛中快速制备三维多孔碳，比表面积高达1281 m²/g。

金属氧化物复合策略

原位法（如微波辅助合成）使Fe₃O₄纳米颗粒（5-20 nm）均匀分散在碳基质中；异位法通过π-π堆叠将预制的CuO锚定在石墨烯表面。特别值得注意的是，ZnO/碳量子点复合物在可见光下产氢效率提升2.3倍，归因于碳材料作为电子受体抑制了e^-/h⁺对复合。

多功能应用突破

在能源领域，ZnS@氮掺杂介孔碳复合电极能量密度达45.5 Wh kg^-1；环境修复方面，Fe₃O₄/碳纳米管对As(V)吸附容量达47.41 mg/g；生物医学应用中，rGO-ZnO复合材料展现出低溶血率和显著抗菌活性。光催化降解有机污染物的效率提升机制包括：碳基质延长载流子寿命、金属氧化物提供活性位点、协同产生羟基自由基（·OH）。

挑战与未来方向

规模化生产需解决生物废弃物成分波动问题，建议采用AI驱动的原料预处理系统。长期稳定性方面，表面钝化技术可延缓碳材料氧化。亟待建立标准化毒性评估体系，特别是对<5 nm碳量子点的生物累积性研究。未来可通过机器学习优化复合设计，例如预测MoO₂掺杂对碳材料导电性的影响规律。

这类材料正推动从"末端治理"到"废弃物增值"的范式转变，其成功商业化需要跨学科合作——化学家精确调控材料界面，工程师开发连续流反应器，政策制定者完善纳米产品全生命周期监管框架。随着绿色合成技术的成熟，生物废弃物衍生的纳米复合材料有望成为实现联合国可持续发展目标（SDGs）的关键材料平台。