《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Biomass-derived materials: Artful microstructure design and versatile applications
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本文系统综述了利用生物质及其衍生物为碳源，通过分子自组装、介孔形貌调控和电子可调性等策略制备的多功能材料。这些材料在废水处理（吸附/降解重金属、抗生素等污染物）、电磁波吸收及光催化反应中表现出优异性能，并深入探讨了材料结构与催化机制的关系，为生物质衍生催化材料的发展提供了理论指导。
赵玉佳|李英毅|安庆达|单双|李贤全|翟尚茹
中国科学院应用催化科学技术重点实验室，大连化学物理研究所，中国大连116023
摘要
由于生物质富含氮（N）和碳（C）元素，这些元素可以有效调节电子结构并促进活性中心的锚定，因此基于生物质的多功能材料在环境修复、能量存储和异相催化领域受到了越来越多的关注。在这篇综述中，我们总结了团队在过去十年中利用生物质及其衍生物作为碳源，通过创新合成策略开发出的具有多种形态、电子结构和几何位点的多功能材料的进展。这些多功能材料在废水中的污染物吸附和降解、电磁波（EMW）吸收以及光催化反应方面表现出优异的催化性能。此外，还讨论了吸附、降解和反应过程中的激活机制以及活性与结构之间的关系。本文全面介绍了基于生物质材料的制备方法，特别强调了其可控的形态、可调的电子性质和活性物种的精确定位，以及活性-结构与催化机制之间的复杂关系，为涉及生物质材料的各种催化领域的未来发展提供了参考。
引言
能源和环境问题具有全球性的重要性，因此迫切需要探索可再生能源和具有成本效益的生态修复技术[1,2]。利用生物质或生物质衍生物作为前体来合成分级生物炭已成为一个突出且得到全球认可的研究领域，这主要归功于其在可持续性、成本效益、环保性和广泛可用性方面的固有优势[3,4]。此外，将活性位点有意引入这些分级碳材料中，使它们在能量存储和转换[5]、异相催化[6]以及环境修复[7]方面具有广阔的应用前景。
工业废水、生活污水、噪音污染、声波和固体废物的排放对人类健康构成了严重的环境威胁[8]。在这些污染物中，持久性难降解有机污染物（POPs）和重金属离子（Pb2+、Hg2+、Cr3+等）由于其难以降解、不可逆性和高毒性而备受关注[9]。另一方面，随着技术和电子产业的快速发展，电磁辐射的有害影响也越来越明显[10]。基于石墨烯的负载和掺杂催化剂不仅能够有效屏蔽或吸收电磁波（EMW），还能通过高级氧化技术（AOPs）实现高效的污水净化和分离[11,12]，从而为缓解当前的污染危机提供了潜在的解决方案。然而，石墨烯的高成本和复杂的制备过程阻碍了碳基材料在环境修复中的实际应用。
为了解决昂贵催化剂的问题，我们提出了一种“以废治废”的策略，利用废弃生物质（包括果壳[13]、虾壳[14]、莲根[15]、稻壳[16]等）制备多功能碳材料。具体来说，通过一系列工艺（从生物质材料的热解碳化开始，然后进行水热还原和酸碱修饰等后续处理，如图1A所示）来获得所需的生物炭形态和拓扑结构。经过表面修饰处理后，生物炭会生成新的羧基、氨基和羟基官能团，这不仅增强了活性金属的有效锚定，还有助于调节电子性质和活性位点的配位环境。这种集成的多功能催化剂能够选择性地吸附有毒金属，并在促进活性氧（ROSs）的快速生成和POPs（如卡马西平（CBZ）、双酚A（BPA）、四环素（TC）、磺胺嘧啶（SDZ）等的有效氧化中发挥关键作用。
本文回顾了我们研究小组十年来在“以废治废”概念方面的发展，即利用农业或林业废弃物作为原料合成用于污水处理和电磁波降解的多功能生物炭催化剂。首先，我们专注于开发合成策略，如分子自组装、介观形态控制和电子可调性，通过调控金属离子、表面活性剂、氮碳含量、螯合剂和制备条件来制备具有可控形态和化学电子状态的多功能生物质材料。所构建的催化剂具有多样的介观形态和金属活性位点定位，实现了对废水中有重金属离子和染料的选择性吸附，并阐明了吸附的潜在机制。值得注意的是，结合了分子自组装和介观形态控制策略的Co-NC催化剂在抗生素降解方面表现出优异的催化性能，其降解途径通过多种能量光谱和光谱技术得到了揭示。随后，通过电子控制策略制备的高熵合金催化剂展现了出色的电磁波吸收能力，所提出的电磁衰减机制为超宽带带通滤波器等电磁功能设备的实际应用提供了理论基础和可行策略。除了基于生物质的催化剂外，木质素与石墨烯之间的异质界面的制备还促进了分子氧向过氧化氢（H2O2）的反应，为基于木质素的高性能光催化剂的开发提供了有希望的途径。最后，本文还提出了未来生物质材料合成和制备的挑战与前景，以及其在各种应用中的分子级微观机制。
生物质衍生材料的设计与制备
目前，制备基于生物炭的催化剂的主要方法包括：（1）直接碳化，（2）模板辅助合成，（3）水热碳化，（4）活化-预处理过程[4,[17], [18], [19], [20]]。上述方法的多种组合和排列有助于获得具有精妙结构和功能的生物质衍生材料，从而使其能够在能量存储、吸附、波吸收等方面得到应用
生物质衍生材料的广泛应用
在本节中，我们将介绍过去十年中我们基于生物质的多功能催化剂在污染吸附、污染降解、电磁波吸收（EWA）以及催化转化过程中的广泛应用。
结论与展望
生物质衍生多功能材料在环境污染物修复和能量存储方面的应用越来越受到关注。在这篇综述中，我们总结了所采用的策略，包括介观形态控制、电子修饰和分子自组装，这些方法用于制备基于生物质的金属-碳材料，并进一步阐明了其形成机制
CRediT作者贡献声明
赵玉佳：概念构思、初稿撰写；可视化；李英毅：初稿撰写、审稿与编辑；安庆达：资金获取、监督；单双：审稿与编辑；李贤全：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑、资金获取；翟尚茹：监督、资金获取。
CRediT作者贡献声明
赵玉佳：初稿撰写、资源准备、数据分析、概念构思。李英毅：初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。安庆达：监督、数据分析、概念构思。单双：初稿撰写、概念构思。李贤全：审稿与编辑、可视化、监督、概念构思。翟尚茹：审稿与编辑、可视化、监督、资金获取、概念构思。
