综述：生物质基活性炭的原位功能化在环境修复中的应用

（编辑推荐）本综述系统阐述了生物质基活性炭（AC）的原位功能化技术（如化学富集、杂原子掺杂和气相功能化），重点分析氮（N）掺杂对提升CO2吸附和电化学储能性能的机制（如吡啶-N/吡咯-N构型增强Lewis酸碱相互作用），对比了湿法与干法（Route 1-3）的优劣，为绿色制备高性能AC提供理论依据。

　　

摘要

近年来，功能化生物质基活性炭（AC）因其优于原始材料的物理化学性质而需求激增。传统后修饰技术存在复杂、高成本和耗时等缺陷，促使原位功能化方法（如化学富集、杂原子掺杂、气相功能化）成为研究热点。本文综述了这些技术如何通过调控表面化学性质（如氮掺杂构型）提升AC在气体吸附和电化学储能中的性能，并探讨了未来挑战与发展方向。

引言

生物质基AC凭借可再生性、高比表面积（500-1,500 m²/g）和化学稳定性被广泛应用，但其性能受限于表面化学特性。氮（N）原子因与碳原子半径相近（70 pm vs. 65 pm）且能引入额外电子，成为优化AC表面化学和导电性的关键靶点。吡啶-N、吡咯-N和石墨-N等构型通过Lewis酸碱相互作用增强CO₂吸附，同时提升电容性能。然而，传统后修饰（如胺处理）因高污染和耗水量大逐渐被原位掺杂技术取代，后者可直接将杂原子嵌入碳基质，实现高效绿色制备。

原位功能化技术

湿法与干法对比

原位功能化分为湿法（需液相介质，如功能剂浸渍）和干法（如掺杂、气相处理）。湿法易产生二次污染且需后处理，而干法（如Route 1掺杂）通过调控热解温度与剂料比，可精准设计AC的孔隙结构和N含量。气相功能化（Route 3）则通过NH₃或CO₂活化同步实现孔道调控和表面改性。

氮掺杂机制

氮掺杂通过三种构型发挥作用：

1. 1.

   吡啶-N：提供孤对电子，增强CO₂的酸碱吸附；

2. 2.

   石墨-N：提升电子迁移率，优化储能性能；

3. 3.

   吡咯-N：改善碳材料润湿性。

   实验表明，700°C热解尿素修饰的AC可实现4.5 wt% N含量，其CO₂吸附量较未掺杂材料提升40%。

结论与展望

原位功能化技术通过简化流程和减少污染，成为AC改性的主流方向。未来需探索低成本生物质前驱体（如藻类）和多元杂原子共掺杂（N/S/P）策略，以进一步拓展AC在环境修复与能源存储中的应用边界。