通过水热法将生物质环保转化为可持续碳：表征研究

《Sustainable Chemistry One World》：Eco-friendly conversion of biomass into sustainable carbons via hydrothermal treatment: A characterisation study

　　

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  通过水热碳化和物理活化实现绿色途径，将生物质转化为碳质材料
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  HC-240,30?min具有高能量密度，其高位热值（HHV）与次烟煤相当。
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  CO₂活化制备出具有高比表面积（1370m²/g）的多孔AC-950,2?h。
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  深入了解水热碳化过程中结构演变、热稳定性和表面功能化特性。

引言

碳质材料因其巨大的潜力和广泛的应用，在全球范围内需求量显著增加。然而，不可再生资源的枯竭以及可持续材料快速增长所带来的经济约束是主要关注的问题。这些局限性促使研究人员寻找丰富且廉价的原料前驱体，并探索合理的途径将这些原材料转化为可用于各种环境领域的可持续材料。木质纤维素生物质在自然界中储量丰富，是最佳的前驱体，主要由三种生物大分子组成：木质素、纤维素和半纤维素[1]，其网络结构决定了通过热化学转化制备材料的特征性质[2]。这种转化不仅改变了生物质的化学性质，还赋予其独特的结构和表面特性，如高孔隙率、比表面积和功能基团，这些特性在很大程度上取决于所采用的工艺参数和活化方法[3]。将生物质废弃物升级为增值产品的能力与循环经济和绿色化学的原则高度一致，有助于减轻环境负担并促进资源效率[4]。为从木质纤维素中生产这些材料，已采用多种热化学技术，如热解、气化和水解炭化。其中，水热碳化（HTC）是最具优势的技术，因其经济可行性和环境友好性而脱颖而出，可在温和的操作条件下进行[5]。

HTC已被证明是一种重要的热化学转化过程，因为它能够在无需预干燥的情况下转化湿生物质[6]。HTC在低温（180–250 °C）下进行，压力在水介质中自发生成，从而消除了对生物质预先干燥的需求[7]。以水作为反应介质，HTC将生物质转化为碳质产品，使其具有增加的比表面积和丰富的功能基团[8]。HTC提高了固体产品的疏水性，这不仅有助于从悬浮液中轻松分离，还提升了燃料性能，使其成为处理生物质废弃物的理想选择[9]。深入理解HTC过程中支配物理化学过程及其形成路径的机制，对于针对特定应用工程化HC的形成具有重要意义[10]。此外，与其他绿色策略的整合——如共水热碳化或通过掺杂元素（例如氮、硫）进行功能化——进一步拓展了固体产品的适用范围[11]。

生物质在HTC过程中发生的亚临界水条件下的一系列复杂化学反应导致HC——富含碳的固体产品——的形成[4]。这一系列化学反应包括水解、脱水、脱羧、芳香化和聚合反应，这些反应积极改变了原始原料的组分基质，形成了含有更多含氧表面功能基团的材料。然而，所制备的HC通常表现出比AC更低的比表面积。尽管如此，其表面存在的羟基、羧基、羰基和酚羟基等功能基团使HC适用于水处理过程[12]。这解释了HC在环境应用中，特别是在水处理中的有效性。此外，脱水和脱羧降低了产物中的氢和氧含量，逐步赋予HC类似煤炭的性质[13]。

此外，这些在HC表面形成的含氧功能基团在其进一步转化为高性能AC中起着至关重要的作用，后者具有高的比表面积和优异的孔隙率[14]。AC中出现的不同特征表明碳基质在活化过程中发生了显著的结构转变。全球AC市场正在经历可观的增长，主要驱动力是环境净化需求的增加[15]。由于AC具有强大的吸附潜力以及在水环境中良好的化学稳定性，它们被广泛用作吸附剂，用于去除各种污染物，如重金属、染料、农药以及其他有机和无机污染物。AC的生产是一个两步过程：第一步是碳化，将HC-240,30?min在惰性气氛中进行热分解；第二步是活化步骤，可以是化学活化或物理活化[16]。后一种活化过程在CO2（或蒸汽）存在下进行，由于其反应速率缓慢且对微孔生成具有可控性，是一种环境友好的过程。其优势在于消除了杂质掺入产品的可能性[17]。所制备的HC具有被封堵的孔隙，这些孔隙在活化过程中被清除，从而形成具有可及孔隙网络的AC，并伴随比表面积的显著增加[18]。

本研究中选择raw-CN种子作为原料，开发低成本、富含碳的材料，这得益于其丰富的木质素、纤维素和半纤维素含量。Cassia Nodosa是一种豆科植物的观赏性常绿树种，在印度各地广泛分布[19]。此外，其叶子、树皮和树干具有药用价值。然而，种子主要由半乳甘露聚糖（通常称为种子胶[20]）组成，容易脱落并受到污染。这些raw-CN种子作为剩余物，为制备富含碳的材料提供了一种途径，以促进可持续发展。

该原料经历了节能的HTC过程，转化为可持续产品HC-240,30?min，并进一步通过物理活化转化为碳质材料，展现出增强的比表面积和孔隙率。本研究包括对原料以及所制备的HC-240,30?min和AC-950,2?h,100mLmin^-1的详细表征，以探索其物理化学性质。最后，本研究为利用环境中大量存在的低成本原料生产增值材料作出了贡献。此外，HTC结合raw-CN种子的物理活化被证明是有效的，因为所制备的材料在碳含量、比表面积和孔隙率方面均表现出显著改善。据我们所知，raw-CN种子尚未被广泛探索作为开发富含碳材料的前驱体。表1总结了几项研究的结果，表明raw-CN是一种相对较少探索但可行的碳材料开发前驱体。

章节摘要

材料与方法

本研究所使用的生物质为Cassia Nodosa种子，元素组成为：碳41.07%、氢6%、氮2.86%、氧44.7%，采集自Uttarakhand的山区。用于制备材料的蒸馏水在实验室中制备。

Cassia nodosa种子、水热炭和活性炭的表征

由raw-CN种子衍生的富含碳的材料使用多种分析技术进行了全面表征。具体的方法、所用仪器和实验条件将在以下各节中详细说明。

FESEM分析

raw-CN在HTC和活化后发生的显著形态变化从SEM微观图像（图1）中清晰可见。图(a)所示的母体raw-CN平整光滑的表面，在HTC后转变为粗糙但有序的界面，并分布着细小的微球。粗糙表面可能是由于未溶解的木质素或在水进入生物质结构过程中形成二次焦油所致，且由于O/C比降低，其亲水性减弱。

结论

本研究探索了如何将Cassia nodosa种子——一种丰富但未被充分利用的生物质——转化为高性能碳材料。该方法采用HTC结合物理活化实现。在优化温度240 °C下HTC处理30?分钟，制备出HC-240,30?min，其具有更高的碳含量、更好的芳香性和更多的含氧功能基团，尽管其孔隙率较低。HC-240,30?min的高碳含量和热稳定性使其可作为前驱体用于

伦理批准

不适用。

资助

未获得任何资金、拨款或其他支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的研究工作。

致谢

作者感谢Gurukula Kangri（视为）大学的管理层和化学系为本研究提供的设施支持。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

参与同意

不适用。

发表同意

所有作者均已同意发表本文。

M. Singh|Suhas