通过可回收的模板耦合CO2活化方法，从蔗渣中可持续制备层次多孔碳；并研究孔结构与苯酚吸附性能之间的关联

《Bioresource Technology》：Sustainable fabrication of hierarchical porous carbon from bagasse via recyclable template?coupled CO2 activation and pore structure-performance correlation in phenol adsorption

　　

李东生|徐光文|单玉玲|丁俊伟|余文龙

青岛科技大学化学工程学院，中国青岛市266042

摘要

吸附剂的绿色低成本合成策略，结合合理的孔结构设计，显著影响了吸附性能和污染物去除的实际应用潜力。在本研究中，以废弃生物质-蔗渣为原料，采用了一种将可回收模板与CO₂活化相结合的协同孔形成策略，制备了一系列具有可调中孔/微孔比例的多孔碳材料。通过平衡吸附实验、吸附动力学、吸附热力学以及连续固定床吸附-再生实验，全面阐明了所制备多孔碳的孔结构与其苯酚吸附性能之间的结构-活性关系。具有分级微孔-介孔结构的BPC-1–1在吸附容量、吸附动力学及动态吸附-再生能力方面表现出优异且平衡的性能，适用于连续捕获苯酚。此外，理论计算阐明了碳表面化学位点对吸附性能的提升作用，而放大试验验证了该合成策略的可扩展性。本研究为高效苯酚吸附剂的孔结构设计提供了理论指导，并为低成本和可持续多孔碳吸附剂的合成与应用提供了新的见解。

引言

从工业废水中去除苯酚是一个关键的环境挑战，因为苯酚具有高毒性、持久性，并且即使在微量浓度下也会对生态和健康造成严重危害（Pavithra等人，2023年）。目前，常见的苯酚废水处理方法包括吸附、膜分离和高级氧化工艺（Xu等人，2024年）。膜分离操作简便，但苯酚去除不完全（Kim等人，2025年）；而高级氧化工艺尽管降解效率较高，但通常需要苛刻的条件和高能耗（Abhiram等人，2025年）。因此，吸附方法因其操作简单、效率高、成本低和二次污染少而成为最有前景的苯酚去除策略之一（Park等人，2021年）。多孔碳具有较大的比表面积、可调的孔结构和可控的表面化学性质，被广泛研究作为高效吸附剂（Chakraborty等人，2022年）。然而，为了实际应用，开发低成本和可持续的多孔碳合成路线仍然具有挑战性，这阻碍了其大规模推广应用。

利用低价值或废弃物生物质作为多孔碳的前体可以降低生产成本，并实现生物质残余物的高价值转化（Zhou等人，2024年）。甘蔗是全球重要的糖类和能源作物，年消耗量超过1亿吨，同时产生了数百万吨的废弃蔗渣（Solomon等人，2024年）。蔗渣富含纤维素、半纤维素和木质素，是制备多孔碳的理想前体（Sperandio等人，2025年）。然而，目前大多数方法依赖于强碱活化（例如KOH），这可能导致设备严重腐蚀（Dermawan等人，2025年）。更重要的是，不可回收活化剂的高消耗量以及酸洗过程中产生的盐水废水严重降低了该方法的可持续性（Luanwuthi等人，2024年）。此外，现有研究仅限于实验室规模和克级生产，缺乏放大验证。这一差距阻碍了对其实际应用前景的严格评估。在这种情况下，开发一种低成本、可持续且可扩展的蔗渣衍生多孔碳生产策略具有重要意义：它推进了丰富生物质废弃物的利用，实现了高效、可持续和实用的基于吸附的水污染物去除，与可持续发展目标6（清洁水和卫生）、目标12（负责任的消费和生产）和目标13（气候行动）的核心原则高度契合（Fegade，2024年）。同时，由于孔结构是吸附性能的关键决定因素，因此合理设计和定向调节孔结构对于优化污染物去除至关重要。先前关于苯酚吸附的研究表明，孔结构主导着吸附性能：微孔决定了吸附容量（Hadi等人，2015年），而相互连接的中孔增强了传质效果（Liu等人，2012年）。因此，具有高表面积、大孔体积和平衡微孔-介孔分布的分级多孔碳表现出优异的苯酚吸附性能（Lua，2024年）。

多孔碳的传统孔形成方法主要依赖于化学和物理活化。化学活化通常使用强碱蚀刻碳化产物以生成孔，但无法精确调节孔结构（Li等人，2024年）。物理活化通过蒸汽/CO₂的高温气化反应生成孔，避免了腐蚀性试剂的使用（Nazir等人，2023年），但主要产生微孔，对于介孔构建效率较低（Zhang等人，2022年）。后来开发的模板方法可以使用特定尺寸的模板来调节孔大小（Liu等人，2022年），但往往难以同时获得大量的微孔和高表面积（Li等人，2025年）。此外，模板的重复使用性差降低了工艺的成本效益和可持续性（Ye等人，2025年）。显然，现有方法仍然无法高效且定向地调节孔结构。开发这种精确的方向控制策略对于系统阐明吸附剂结构与污染物吸附性能之间的结构-性能相关性至关重要。这代表了多孔吸附材料设计中的一个重要但目前缺乏的方面。

本文提出了一种协同孔工程策略，将可回收模板与CO₂活化相结合，制备了具有可调中孔-微孔比例的蔗渣衍生多孔碳，用于高效去除水中的苯酚。通过平衡等温线、吸附动力学和热力学以及连续固定床吸附-再生实验，阐明了孔结构与苯酚吸附之间的结构-性能关系。此外，理论计算阐明了表面化学位点对吸附性能的提升作用，而公斤级制备和实际水环境中的试验验证了该策略和所制备多孔碳的实际应用可行性。

章节摘录

通过模板策略结合CO₂活化制备了基于蔗渣的多孔碳材料。具体步骤如下：蔗渣首先浸渍在乙酸锌溶液中并干燥，然后在惰性气氛下进行炭化和活化。产物经过酸洗去除模板，用去离子水冲洗至中性，再干燥得到最终的多孔碳。通过调整乙酸锌的用量，制备了一系列具有可调孔结构的样品。

如图1a所示，的一系列蔗渣衍生多孔碳（BPCs）是通过使用乙酸锌作为可回收模板前体，CO₂作为活化介质的模板耦合物理活化方法制备的。材料制备完成后，模板被回收并重新用于后续批次的生产。

为了阐明蔗渣衍生多孔碳（BPCs）的孔形成机制，本研究系统地研究了炭化温度、乙酸锌等因素的影响。

在本研究中，以废弃生物质-蔗渣为原料，采用了一种将可回收模板与CO₂活化相结合的协同孔形成策略，制备了一系列具有可调中孔-微孔比例的多孔碳。通过平衡吸附实验、吸附动力学、吸附热力学研究以及连续吸附-再生实验，全面阐明了多孔碳在苯酚吸附中的结构-性能关系。

李东生：撰写——原始稿件、研究、数据管理。徐光文：数据管理。单玉玲：指导。丁俊伟：指导、方法学设计。余文龙：撰写——原始稿件、指导、方法学设计、资金争取。

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金（编号22208182）的支持。我们感谢XianYang HongFeng Furnaces Equipment Co. Ltd.在碳材料放大制备方面的协助。