生物质衍生碳材料在氢能存储中的创新应用：从多孔结构调控到可持续能源解决方案

本刊推荐：为解决氢能存储中高成本、低效率及环境兼容性差的问题，研究人员系统综述了生物质衍生碳材料（BCMs）在氢存储中的应用。研究揭示了BCMs通过调控孔隙结构与表面化学可显著提升储氢性能，并指出其在大规模可再生能源系统中的潜力，为绿色氢能技术提供了材料设计框架与产业化路径。

　　

随着全球能源需求持续增长和气候变化问题日益严峻，开发清洁、高效的可再生能源系统已成为当务之急。氢能因其高能量密度和燃烧后仅产生水的特性，被广泛认为是一种理想的能源载体。然而，氢能的大规模应用仍面临一个关键瓶颈：如何实现安全、高效且经济可行的氢存储。传统的储氢方式如高压气态储氢和低温液态储氢存在能耗高、安全性差和基础设施复杂等问题。此外，常用的金属氢化物和金属有机框架（MOFs）等材料虽具有较高储氢容量，但往往成本高昂、制备过程复杂，且环境兼容性较差。在这一背景下，生物质衍生碳材料（Biomass-Derived Carbon Materials, BCMs）因其来源广泛、成本低廉、结构可调以及环境友好等优势，逐渐成为氢存储领域的研究热点。

为了深入探讨BCMs在氢存储中的应用潜力，研究人员在《Journal of Energy Storage》上发表了一项系统性综述，详细分析了生物质原料类型、加工方法与其多孔结构及储氢性能之间的构效关系，并提出了针对下一代储氢材料的设计原则与产业化方向。

本研究主要依托文献调研与数据整合方法，通过对大量已有研究进行对比分析，评估了不同生物质原料（包括农业废弃物、林业残余物、海洋生物质和工业副产品）的碳化与活化效果。关键实验技术包括：化学活化法（如KOH、ZnCl₂活化）、物理活化法（如CO₂、水蒸气活化）、材料表征技术（如BET比表面积分析、孔径分布测试）以及氢吸附性能测试（如体积法、重量法测量氢摄取量）。部分研究还涉及异质原子掺杂（如氮、硼掺杂）和金属负载（如铂、钯纳米颗粒）以增强氢吸附能力。

研究结果分为以下几个部分：

一、氢存储方法概述

文章系统比较了物理储氢（如高压压缩、低温液化）和化学储氢（如金属氢化物、氨硼烷）的优缺点，指出物理储氢虽技术成熟但密度低、能耗高，而化学储氢容量大但可逆性差、反应条件苛刻。在此基础上，BCMs被提出作为一种结合物理吸附与部分化学吸附优势的替代方案。

二、生物质衍生碳的制备与性能

研究显示，通过选择适当的生物质前体（如稻壳、甘蔗渣、咖啡渣等）并结合优化活化工艺（如KOH活化），可制备出具有高比表面积（高达4300 m²/g）和发达微孔结构的碳材料。例如，香烟头衍生的多孔碳在77K和20 bar条件下实现了9.4 wt%的总氢摄取量，显著优于许多传统碳材料。孔隙结构分析表明，孔径在0.6-0.7 nm范围内的超微孔对氢吸附贡献最大。

三、影响储氢性能的关键因素

文章重点探讨了比表面积、孔径分布、表面化学（如杂原子掺杂）以及温度/压力条件对储氢性能的影响。结果表明，高比表面积与适宜的微孔体积是提高氢吸附的基础，而表面修饰（如氮掺杂）可进一步通过增强氢分子与碳表面的相互作用力（如静电作用、氢溢流效应）提升吸附容量和吸附热。

四、当前挑战与发展前景

尽管BCMs表现出良好的储氢潜力，但其实际应用仍面临若干挑战，包括：室温下吸附容量偏低（通常低于1 wt%）、循环稳定性不足、以及大规模生产中的批次差异性。此外，材料的热稳定性和化学稳定性仍需进一步提高。未来研究应致力于通过跨学科合作，结合理论计算与先进表征技术，优化材料设计，推动BCMs向产业化方向迈进。

本研究通过全面分析生物质衍生碳材料在氢存储中的应用，证实了其作为一种可持续、低成本和高性能储氢介质的巨大潜力。文章不仅详细阐述了BCMs的制备方法、结构特性与性能之间的关系，还指出了当前技术瓶颈和未来发展方向。这项工作为开发下一代氢存储技术提供了重要的理论依据和实践指导，对推进全球能源转型和实现碳中和目标具有深远意义。此外，该综述所提出的材料设计原则（如孔隙工程、表面功能化）也可拓展至其他能源存储与转换领域，体现出广泛的学术与工程价值。