综述：从生物质废弃物到多功能生物炭：定制化制备及其在能源、环境与传感领域的新兴应用

《Molecules》：From Biomass Waste to Multifunctional Biochar: Tailored Preparation and Emerging Applications in Energy, Environment, and Sensing

　　

生物炭（biochar）是一种通过热解（pyrolysis）多种生物质资源（包括农业和林业残留物以及牲畜粪便）合成的多孔碳质材料。它具有优异的特性，如大比表面积、可调节的孔隙结构、丰富的表面官能团和良好的电导率。随着近年来全球能源短缺和环境污染问题日益严重，生物炭已成为一种绿色、低成本的功能材料，在包括能源存储与转换、化学催化、环境修复以及信号传感与检测等多个关键研究方向中展现出显著的应用优势。本研究全面总结了生物炭在以上应用领域的最新研究进展，重点关注光催化（photocatalytic）和电催化（electrocatalytic）制氢、超级电容器（supercapacitors）和电化学储能系统、过硫酸盐（persulfate）活化技术、二氧化碳（CO₂）捕获、重金属和有机污染物修复、挥发性有机化合物（VOC）吸附以及电化学传感（electrochemical sensing）器件方面的创新成果。现有研究结果表明，包括金属和非金属掺杂、表面氧化处理以及与半导体或金属氧化物材料复合在内的改性策略可以有效提高生物炭的催化活性和功能性能。此外，本研究展望了生物炭未来跨学科的发展趋势，分析了在机理探索、结构优化设计和工业规模化制备方面存在的研究空白，并为生物炭在可持续能源发展和环境治理领域的进一步推广和应用提供了理论和实践参考。

1. 引言
随着能源消耗和环境污染日益严重，全球进入能源转型和碳中和的关键窗口期。尽管近年来清洁能源投资和部署快速增长，但全球工业对传统能源的高度依赖使二氧化碳（CO₂）排放量保持在历史高位，导致气候风险和能源安全问题并存。如何将低成本、可再生的资源转化为高附加值材料成为可持续发展研究的重点。在此背景下，生物炭（biochar）作为一种由农业和林业废弃物制成的富碳多孔材料，展现出独特的多功能性。一方面，其高比表面积、可控孔隙结构和丰富的表面官能团有利于吸附、催化位点锚定以及界面电子/质子转移；另一方面，通过将碳稳定在生物质中并封存在土壤或材料体系中，生物炭具有长期固碳潜力。近年来，生物炭已从传统的吸附剂材料演变为功能性电催化/光催化载体和能源转换使能器。例如，生物炭辅助水电解显著降低了电解能耗并提高了过程经济性。同时，当与半导体结合时，生物炭可通过界面工程增强光生电荷分离并修饰表面吸附和反应位点，从而在光催化制氢、光生H₂O₂合成和有机污染物降解等过程中表现出优异性能。尽管在这些领域取得突破，现有文献分散在环境修复、能源材料、水处理和传感器等学科子领域，仍缺乏跨学科综述来整合生物炭在能源转换、化学催化、环境修复和检测中的机理、材料和过程，特别是在三个方面：生物炭理化性质与不同应用性能之间的定量相关性；生物炭在低能耗制氢和电化学/光催化过程中的界面电子/质子转移机制；以及规模化制备和生命周期评估。基于此，本文回顾了生物炭在能源、化学工程、环境科学和检测四个主要领域的最新进展、潜在机理和应用，为研究人员和工程师提供对当前研究状态和实际发展方向的全面理解。

2. 生物炭的制备与改性策略
2.1. 生物炭制备方法
生物炭主要通过热化学转化过程生产，使用可再生生物质原料，如农业/林业废弃物、牲畜粪便、污泥和藻类。常见制备方法包括热解（pyrolysis）、水热碳化（HTC）、气化和联合碳化过程。热解是最广泛使用的方法，通常在300–700 °C和缺氧条件下进行。低温热解生物炭保留丰富的表面官能团，适用于环境修复；高温热解则增加碳含量和石墨化程度，更适合能源和电化学应用。水热碳化（HTC）在180–250 °C的高压水环境中进行，适用于高水分原料，所得水热炭官能团更丰富但热稳定性较低。气化在800–1000 °C下进行，不仅产生固体炭，还产生合成气，为能源生产和材料生产提供双重价值。

2.2. 生物炭改性策略
原始生物炭虽具有固有孔隙度和表面化学活性，但常无法满足特定应用要求，需进一步改性。常见改性策略包括：物理活化，使用CO₂或蒸汽在高温下蚀刻孔隙，增加比表面积和微孔体积，绿色无毒但调节孔隙结构能力有限；化学活化，在碳化前或碳化过程中添加KOH、ZnCl₂或H₃PO₄等活化剂，显著提高比表面积和孔体积（可达1000–2000 m²/g），但需大量水洗去除残留盐，存在二次污染风险；表面功能化，用氧化剂处理生物炭引入羟基和羧基等官能团，增强对极性污染物和金属离子的吸附能力，简单高效但过度氧化可能破坏孔隙结构；掺杂，掺杂Fe、Mn、Ni、Cu、N、S或P等元素调节电子密度，增强电导率和电催化活性，其中氮掺杂有效促进电化学反应和储能性能；复合改性，将生物炭与g-C₃N₄、TiO₂或导电聚合物等材料复合形成复合材料，改善光电性能和电荷分离效率，扩展生物炭在光催化、储能和传感中的应用范围。

2.3. 绿色活化与可传递的结构-功能框架
制备路线决定了生物炭可实现的哪些功能。富含木质素的原料通常有利于碳产率和芳香框架，而富含矿物质的残留物可能提供内在催化中心但也会堵塞孔隙。提高热解温度通常去除含氧基团并增加芳香性和电导率，有利于电子转移反应但可能削弱离子络合和亲水性。活化增加了可及的微孔/介孔，而N、S或P掺杂重新分布电荷密度，金属/半导体杂化引入氧化还原或光活性位点。因此，没有单一生物炭是普遍最优的：高石墨化和连通介孔有利于高倍率电极；超微孔和低表面极性有利于CO₂捕获；含氧或矿物位点有利于金属离子吸附；富含缺陷的sp²域与氧化还原中心结合有利于过硫酸盐活化和传感。传统KOH、ZnCl₂或强酸活化的绿色替代方案包括蒸汽或CO₂活化、湿生物质的水热预处理、天然碱/碱土金属的自活化、可重复使用的盐模板以及生物质木醋液或热解液活化。这些路线减少了腐蚀性试剂使用和盐水洗涤产生，但其孔径控制、产率、能量需求和再生效率需在共同基础上报告。常压微波等离子体是一种新兴快速路线：稻秆和金雨籽废弃物在N₂下5分钟内转化，产生吸附活性生物炭而无需添加化学活化剂。主要的放大不确定性包括电力强度、等离子体气体需求、温度均匀性、电极/反应器寿命和连续固体处理。

3. 能源材料领域的应用
高功率和能量密度的电化学储能设备对于减少化石燃料依赖和可再生能源的交替存储至关重要。在多种储能技术中，碳因其丰富储量、优异电导率和可精确调节的固有特性而成为优质电极材料。通过热解和活化，生物炭形成多级孔隙结构，为电解质离子在储能系统中的快速移动和存储提供优异路径。生物炭的主要能源优势来自其表面化学：高浓度含氧官能团增加极性分子吸附并作为电化学反应活性位点。此外，高温热解促进石墨化，提高电导率，作为电极材料时支持高效电荷传输。当与金属氧化物、碳氮化物或其他半导体结合时，生物炭可形成高导电网络，加速界面反应动力学，为能源转换和存储提供结构和化学支持。在机理层面，生物炭可作为催化剂载体或助催化剂，有效促进能源转换过程中的电子和质子转移。

3.1. 超级电容器和电池器件
在超级电容器和电池系统中，生物炭具有双重关键功能：不仅实现物理储能，还通过表面官能团或掺杂元素赋予赝电容。此外，它与金属氧化物或硫化物产生协同效应，提高整个储能系统的比电容和循环稳定性。Ren等人提出了一种针对高性能储能应用的可持续策略，以玉米秸秆衍生生物炭（CB）作为导电支架支撑NiCo₂S₄纳米针阵列，并进一步包覆NiMoO₄纳米片，最终形成分级核壳异质结构。所制备的NMONCS@CB电极表现出卓越的电化学性能：在5 mA·cm^-2电流密度下电容高达1447 F·g^-1，并具有优异的长期循环稳定性（10000次充放电循环后保持88%初始电容）。基于该电极组装的非对称超级电容器在184.49 W·kg^-1功率密度下能量密度达到78.23 Wh·kg^-1，优于许多先前报道的NiCo₂S₄/NiMoO₄基系统。该装置能连续点亮红色发光二极管（LED）30分钟。系统优异性能源于协同结构设计：CB提供多孔结构和优异电导率，而NiCo₂S₄@NiMoO₄异质结构提供丰富的氧化还原活性位点并促进高效电荷转移。与传统泡沫镍基底相比，CB不仅降低了生产成本并减轻了环境影响，还提高了活性材料的电化学利用效率。Wang等人研究了棉花秸秆粒径对衍生生物炭作为锂离子电池负极的结构和电化学性能的影响。较大粒径生产的生物炭表现出最佳管状形态、高层间距和最大孔体积，有利于Li⁺扩散和比容量（0.1 A g^-1下100次循环后271.7 mAh g^-1）。确定了200 μm的临界粒径阈值，低于该阈值结构性能显著恶化。研究表明，管理前驱体颗粒尺寸是一种节能环保的方法，可调节生物炭结构，从农业废弃物中生产高性能负极而无需化学活化或掺杂。

3.2. 燃料电池
燃料电池被视为最有前景的清洁能源转换技术之一，因其能将化学能直接高效转化为电能，且具有低噪音和低污染物排放。在多种燃料电池系统中，微生物燃料电池、氢燃料电池和直接醇类燃料电池在废水处理、便携式电源和分布式能源应用中受到关注。然而，其实际发展仍受限于缓慢的电极反应动力学、高催化剂成本、不足的稳定性和较差的界面电子转移。生物质衍生碳材料，尤其是生物炭，因其多孔结构、可调表面化学和良好的生物相容性，作为电极材料、催化剂载体或导电框架提供了可持续的低成本替代方案。近期研究突出了生物炭作为微生物燃料电池（MFC）电极材料的潜力，归因于其固有孔隙度、电导率和表面化学。在MFC中，生物炭电极可促进细胞外电子转移并降低系统欧姆电阻，从而提高功率密度。Zhang等人展示了K₂CO₃修饰的蓝藻衍生物炭阳极用于微生物燃料电池，实现了协同生物电生成和污染物降解。该电极的电化学活性面积比传统碳毡大261.6倍，启动时间缩短至37.4小时，电压输出693.04 mV，功率密度1.076 W/m²，COD去除率91.57%，库仑效率47.41%。其表现出广谱降解能力，包括通过涉及羟基化、去甲基化、脱氨基和开环的准一级动力学实现95.12%的四环素去除。Geobacter在阳极占主导地位（丰度52.48%），Comamonas是关键降解菌（11.95%）。该电极成本仅为Pt-C催化剂的0.3%，为能源回收和污染控制提供了一种经济可持续的策略。

3.3. 光催化和电化学转化
光催化和电催化在清洁能源技术发展中发挥关键作用，因为它们提供了在相对温和条件下将丰富自然资源（如太阳能、水、氧气、含氮污染物和二氧化碳）转化为高价值燃料和化学品的可行途径。生物炭材料在更广泛的能源转换过程中引起越来越多的关注，特别是在光催化和电化学系统中。其分级孔隙度和可调表面化学有利于光吸收、界面电荷分离和电子/质子转移。此外，杂原子掺杂以及与半导体或金属氧化物复合等策略显著扩展了其在关键反应中的适用性，包括水分解、CO₂还原和有机污染物降解。理解生物炭的机理贡献并制定性能优化策略因此对于推进可持续能源技术至关重要。水电解或燃料电池的主要瓶颈是析氧反应或氧还原反应的缓慢动力学。这种限制可通过引入农业废弃物衍生的碳基材料作为低成本还原剂来缓解。经过氧化改性或金属/非金属掺杂后，生物炭表现出增强的表面反应活性和对电化学条件的更广泛适应性。例如，Matos等人展示了一种可持续的ORR电催化剂，由Co₃O₄纳米颗粒生长在氮掺杂虾壳生物炭（N-CC）上。通过优化钴前驱体负载量，N-CC@Co₃O₄复合材料表现出优异性能，起始电位0.84 V，极限电流密度?3.45 mA cm^-2，并对4电子途径具有高选择性。这些结果归因于优化的Co₃O₄负载量与多孔载体中特定氮构型（吡啶氮和石墨氮）之间的协同作用。与电化学应用并行，生物炭支撑光催化剂（BSP）也因在水分解和析氢中的优异性能而获得发展动力。例如，Chen等人开发了含有氮缺陷和碳桥的生物炭改性碳氮化物（PCCN-10），在H₂O₂生产中表现出优异的压电-光催化活性。改性材料在无助催化剂的光和超声联合照射下，H₂O₂生成速率显著提高至4.61 mmol g^-1 h^-1，优于大多数报道的催化剂。机理研究表明，氮缺陷诱导非对称构型产生强偶极场，而碳桥增强π-π离域，共同促进自发极化和电荷分离。优化后的光催化剂在纯水中也表现出优异稳定性，达到2.19 mmol g^-1 h^-1的速率。该工作突出了缺陷工程和偶极场调制作为设计用于可持续能源转换的多功能生物炭基光催化剂的有前景策略。

3.4. 跨研究定量综合与剩余能源限制
在总结的能源研究中，当制备同时控制传输和活性位点利用而非仅最大化表面积时，性能得到改善。玉米秸秆支架/异质结构实现了1447 F g^-1的电容和10000次循环后88%的保持率，而粒径控制的棉花秸秆生物炭达到271.7 mAh g^-1的比容量。在微生物燃料电池中，K₂CO₃改性将电化学活性面积扩大了261.6倍，产生了1.076 W m^-2的功率密度。这些值并未合并为单一效应量，因为器件配置、质量负载、电解质、电位窗口和报告基础不同。未来研究应报告原始生物炭和商业碳对照、产率、灰分含量、BET/微孔面积、电导率、质量负载和全电池指标，以实现可辩护的荟萃分析。

4. 环境领域的应用
在环境修复领域，生物炭因其独特的物理化学性质展现出显著优势。其高比表面积和发达的孔隙结构为污染物的物理吸附提供了丰富的活性位点，能有效捕获水和土壤中的重金属离子、持久性有机污染物和染料。此外，生物炭表面的含氧官能团和矿物质成分进一步增强了其离子络合和静电吸附能力，使其在多样复杂的环境介质中也能保持高净化效率。

4.1. 过硫酸盐活化
高级氧化过程（AOPs）被认为是降解持久性有机污染物的高效方法，但其效率很大程度上取决于氧化剂的快速活化。生物炭经改性或与过渡金属结合后，可通过促进电子转移和生成活性物种作为高效活化剂。生物炭基复合材料为增强过硫酸盐活化和污染物降解提供了低成本可持续途径。在Liang的研究中，铁锰双金属生物炭复合材料用于显著增强过硫酸盐活化以高效降解阿特拉津，富铁变体优于富锰和单金属对应物。Fe-生物炭/过硫酸盐（PS）系统主要通过自由基途径（SO₄^•?和•OH）实现了96.7%的优异阿特拉津去除率，而富锰系统涉及自由基和非自由基机制。Fe-富集生物炭的优异性能归因于其增强的电子转移能力、更高的比表面积以及Fe²⁺/Fe³⁺和Mn³⁺/Mn⁴⁺之间的协同价态交换，促进了持续的过硫酸盐活化。降解途径涉及烷基羟基化/氧化、脱烷基化和脱氯羟基化，最终生成毒性较低的氰尿酸。这些发现为设计用于环境修复高级氧化过程的高效碳-金属复合材料提供了关键见解。

4.2. CO₂捕获
大气中CO₂浓度上升对气候变化减缓构成重大挑战，凸显了高效可持续碳捕获技术的迫切需求。凭借其大表面积、可调孔隙度和可调表面极性，生物炭越来越被认为是前景广阔的CO₂吸附剂。物理/化学活化和杂原子掺杂等改性策略进一步增强了其吸附能力，使生物炭成为燃烧后碳捕获的可行候选材料。Zhang等人系统评估了通过物理和化学方法活化的三种木质纤维素生物炭用于燃烧后CO₂捕获。KOH活化生物炭在1 bar和298 K下容量超过2.35 mmol/g，归因于其显著增强的表面积和微孔体积。多方法表征揭示，CO₂吸附容量与比表面积和微孔体积正相关，但与孔径和表面氧含量（O*/C比）负相关。研究表明，虽然化学活化通常优于物理方法，但活化剂的选择至关重要，因为某些活化剂如H₃PO₄可能降低吸附性能。这些发现为开发针对碳捕获应用的高效生物炭基吸附剂提供了基本设计原则，强调了高表面积、优化微孔性和低表面极性之间的协同作用。

4.3. 重金属污染修复
水和土壤中的重金属污染因金属离子（如Pb²⁺、Cd²⁺和As⁵⁺）的持久性、生物累积性和毒性而成为紧迫的环境问题。生物炭中的表面官能团和矿物质成分能够实现络合、离子交换和沉淀机制，从而有效固定重金属。此外，杂化生物炭复合材料整合了吸附和催化功能，为重金属修复提供了多功能解决方案。工业活动产生的重金属污染因砷和铅等污染物在水和土壤中的持久性、毒性和生物累积性而对生态系统和人类健康构成严重威胁。为解决这一问题，Li等人通过整合吸附-热解方法，从甘蔗叶废料中开发了一种新型MgO杂化海绵状碳质复合材料（HSC）。该复合材料具有将纳米级MgO薄片与纳米管状碳海绵相结合的独特结构，显著增强了其吸附能力。HSC对As⁵⁺、Pb²⁺和亚甲基蓝（MB）的最大吸附容量分别达到157 mg/g、103 mg/g和297 mg/g，优于许多传统吸附剂。机理研究表明，As⁵⁺去除主要通过表面沉积形成MgHAsO₄和Mg(H₂AsO₄)₂晶体，而Pb²⁺和MB吸附涉及π-π相互作用和与碳基质上官能团的络合。杂化过程不仅改善了结构性能，还提供了成本效益高的生产方法，估计每公斤0.54美元，使其成为替代商业活性炭用于高效多污染物废水修复的有前景可持续选择。

4.4. 挥发性有机化合物控制
挥发性有机化合物（VOCs）是大气污染物的主要类别，导致光化学烟雾形成并带来健康风险。传统吸附剂如活性炭效果良好但通常成本高且可持续性差。生物炭，源自不同原料并在可控热解条件下生产，提供了一种低成本、可再生的替代品，具有强VOC吸附能力。其吸附性能与原料特性、热解温度以及表面积和有机物含量之间的平衡密切相关。在Zhang的研究中，利用五种不同原料在三种热解温度下生产的十五种生物炭，研究了生物炭从气相中去除VOCs的吸附性能和机理。结果表明，所有生物炭对丙酮、环己烷和甲苯均表现出显著的VOC吸附容量，范围从5.58到91.16 mg g^-1。吸附性能由双重机制控制：物理吸附在表面积较大的高温生物炭中占主导，而分配进入非碳化有机物（NOM）在NOM含量较高的低温生物炭中占主导。该过程是放热的，吸附容量随系统温度升高而降低。值得注意的是，生物炭保持优异的可重复使用性，在五次连续吸附-解吸循环后容量仅降低6.9–14.7%。该工作确立了生物炭作为高效气态VOC去除中传统吸附剂（如活性炭）的有前景低成本替代品，其性能与原料选择和热解条件密切相关。

4.5. 微塑料和纳米塑料修复
微塑料和纳米塑料因其广泛分布、小粒径、高化学稳定性和潜在生态毒性而成为持久性环境污染物。它们可在水生和陆地环境中积累，吸附共存污染物如重金属和抗生素，并进入食物链，对生态系统和人类健康构成风险。因此，迫切需要开发可持续高效的修复策略。生物质衍生碳材料，尤其是生物炭，因其多孔结构、大表面积、可调表面官能团和低成本可再生来源，在微塑料和纳米塑料去除方面引起越来越多的关注。通过疏水相互作用、静电吸引、孔隙截留、π-π相互作用和表面络合，生物炭能有效捕获塑料颗粒及相关污染物。此外，改性生物炭可与光催化、电催化或高级氧化系统集成，促进塑料表面氧化和部分降解，为微塑料修复提供有前景的途径。Ganie等人开发了一种可持续复合吸附剂，即嵌入生物炭的硫化纳米零价铁（S-nZVI-BC），由农业废弃物甘蔗渣合成。该材料旨在同时去除废水中的有机染料和微塑料。研究优化了硫/铁摩尔比至0.3，获得了高表面积和反应活性的材料。该复合材料在批吸附和连续柱过滤模式下均表现出优异性能，在不到15分钟内去除超过90%的污染物。主要去除机制被确定为降解、静电吸引、络合和π-π相互作用。

4.6. 生物炭基太阳能界面蒸发用于海水淡化
淡水资源短缺推动了低能耗淡化技术的发展。太阳能驱动界面蒸发将太阳能热量局域在空气-水界面，而非加热整个水体，从而减少传导热损失并提高太阳能利用效率。生物炭是用于此应用的有前景光热材料，因其共轭碳域提供宽带太阳吸收和高效光热转换，而其分级孔隙结构、亲水官能团、低密度和可再生来源便于水传输、蒸汽逸出和浮动蒸发器构建。与贵金属、半导体和合成碳吸收体相比，生物炭基蒸发器还可降低材料成本并增值农业、林业、藻类和工业生物质残留物。生物炭太阳能蒸发器的性能受光吸收、水供应、热局域化和蒸汽传输的协调调控决定。芳香族和石墨化碳域吸收紫外、可见和近红外辐射，并将吸收的能量以热量形式耗散。同时，含氧和含氮官能团改善润湿性，并通过毛细作用持续将水输送到加热界面。互连的大孔提供水供应通道，而介孔和微孔增加蒸发面积并促进蒸汽扩散。隔热支撑体，包括纤维素海绵、聚合物泡沫和气凝胶，抑制从蒸发层到大量海水的热传导。然而，过度亲水性可能增加需要加热的水量，而过厚的生物炭层可能限制水和蒸汽传输。因此，仅高太阳吸收是不够的，必须同时优化吸收体厚度、润湿性、孔隙连通性、热导率和供水速率。代表性研究展示了将不同生物质废弃物转化为太阳能蒸发器的可行性。来自柳絮的亲水多孔碳膜实现了约96%的太阳吸收、1.65 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和约90.5%的太阳能-蒸汽转换效率（一个太阳照射下）。它还能从实际海水中去除99.9%的钠离子，展示了分级孔隙、毛细水传输和界面热局域化的综合效果。微藻残渣生物炭蒸发器表现出94.1%的光吸收效率和1.165 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，说明了将生物柴油残渣利用与淡水生产相结合的可能性。碳化甘蔗在1个太阳下产生1.69 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和85%的效率，以及平均99.32%的离子排斥率。最近，由木质素磺酸盐衍生的CaCO₃活化多孔碳被掺入聚乙烯醇基质中。所得PVA@PCLS蒸发器在250–2500 nm范围内吸收超过97%，蒸发速率2.33 kg m^-2 h^-1，太阳能-蒸汽效率83.7%。这些结果表明，原料衍生的孔隙结构和蒸发器级热管理对淡化性能同等重要。尽管有这些优势，盐积累仍是长期海水淡化的主要障碍。随着水蒸发，盐可能在光热表面结晶，堵塞孔隙，降低光吸收并中断水传输。通过构建促进离子反向扩散的互连水通道、引入亲水梯度、限制蒸发器与大量水之间的接触面积或设计自清洁和可周期性再生表面，可提高耐盐性。未来研究应使用实际海水或浓缩盐水而非仅去离子水评估生物炭蒸发器，并报告暗蒸发、净蒸发速率、太阳能-蒸汽效率、盐排斥率、冷凝水质量、室外产水量、循环稳定性、生物炭浸出和抗生物污染能力。生命周期和技术经济分析还应包括原料收集、热解能量、化学活化、洗涤、支撑基底、冷凝系统、蒸发器寿命和废弃处置。这些考虑对于将实验室规模的蒸发速率转化为实际室外条件下的可靠淡水生产至关重要。

4.7. 机理比较与跨研究定量综合
环境性能反映了吸附、自由基氧化和表面介导非自由基电子转移之间的竞争。当孔径与目标匹配且表面基团提供静电吸引、络合、氢键或π-π相互作用时，吸附占主导。自由基过硫酸盐活化产生SO₄^•?和•OH，反应迅速但易受清除剂和基质成分影响。非自由基途径——包括表面束缚自由基、单线态氧和直接电子转移——通常更具选择性和耐盐性，但需要导电缺陷域和适当循环的金属中心。因此，ROS分配应结合淬灭、电子顺磁共振证据、电化学测试和质量平衡，而非仅依赖单一淬灭实验。对于CO₂，超微孔体积和低表面极性通常比总BET面积更具决定性；对于过硫酸盐，给电子缺陷、石墨电导率和可逆Fe/Mn氧化还原对比表面积更重要。

5. 检测与传感应用
随着对快速、灵敏和低成本分析技术的需求增长，检测和传感系统在环境监测、食品安全、生物医学诊断和工业过程控制中变得越来越重要。传统传感材料通常依赖贵金属、复杂纳米结构或昂贵的合成碳材料，这可能限制其大规模应用。在此背景下，生物质衍生碳材料，尤其是生物炭，为传感器构建提供了可持续多功能平台。其分级多孔结构可富集目标分析物，而可调表面官能团、杂原子掺杂和缺陷位点可增强电子转移和界面识别。此外，生物炭可轻松与金属氧化物、导电聚合物、酶或二维材料结合，以提高灵敏度、选择性和稳定性。因此，生物炭基传感材料在检测复杂实际样品中的重金属、农药、有机污染物、气体和生物分子方面显示出巨大潜力。传统传感器通常依赖昂贵贵金属或脆弱生物分子，限制了大规模部署。生物炭作为生物质衍生多孔碳材料，提供了有前景的替代品。其可调电导率、多样表面功能性和与纳米材料的良好兼容性允许设计高灵敏度和选择性的传感器，同时其可再生来源和低生产成本满足可扩展和环保应用的要求。Devi等人制备了一种基于生物炭支撑氧化铜和石墨相氮化碳（B-CuO/g-C₃N₄）的三元纳米复合材料非酶电化学传感器，用于超灵敏检测有机磷农药马拉硫磷（MALA）。通过水热法结合煅烧合成，该纳米复合材料表现出优异的电化学性能，包括高电化学活性面积、低电荷转移电阻以及增强电荷分离和M