水热碳化与热解制备葡萄糖衍生碳材料及其电化学应用

《ACS Omega》：Glucose-Derived Carbon Materials via Hydrothermal Carbonization and Pyrolysis for Electrochemical Applications

　　

碳材料因其可调控结构和化学多样性，广泛用于电化学技术。生物质水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）提供可持续合成路径，但工艺条件与材料性能间的定量关系仍不清楚。研究人员以葡萄糖为模型前驱体，系统改变HTC温度（180–210 °C）、停留时间（0.5–3 h）和前驱体浓度。反应强度增加促进碳在固相保留并减少可溶中间体。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）显示杂原子逐步脱除及sp2碳域发展。后续热解进一步增强结构有序度并减少含氧官能团，且不改变形貌。电化学测试表明原始水热炭具有稳定双电层电容（66 μF cm–2），热解后适度提升至79 μF cm–2。氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）动力学仍具典型无金属碳特征。该研究建立了HTC条件、碳分配、结构演化与电化学行为间的清晰关联，支撑生物质衍生碳材料的理性设计。

研究背景方面，生物质因可持续、丰富和可再生，被视为替代化石碳材料的重要前驱体。葡萄糖作为模型碳水化合物，具有高溶解性和明确反应化学，适合研究碳化机制。水热碳化（HTC）在180–250 °C和自生压力下进行，可通过脱水、脱羧、聚合和芳构化实现碳致密化。然而，现有研究多关注产率或形貌，对HTC参数如何共同控制碳分配、结构演化和界面电化学行为缺乏系统定量理解；复杂生物质也更难剥离机理。因此，研究人员以葡萄糖为明确分子平台，将OER作为探针反应，建立HTC严重度、碳结构发展、表面化学演化与电化学响应之间的机制联系，而非追求催化性能优化。该论文发表在《ACS Omega》。

关键技术方法方面，研究人员采用50 mL不锈钢反应器进行HTC，以氮气惰性氛围控制氧气；通过固、液、气三相分离与总有机碳（TOC）分析量化碳分配；用元素分析、FTIR、XPS、Raman和扫描电子显微镜（SEM）表征结构与表面化学；选取210 °C、3 h、生物质/水比0.5的水热炭在600 °C氮气下热解4 h得到Pyro-HC；电极以玻碳（GC）为基底滴涂成膜，在三电极体系中于碱、中、酸电解质下开展循环伏安（CV）、线性扫描伏安（LSV）和Tafel分析。

研究结果部分，3.1 Hydrochar Production表明，升高温度和延长停留时间提高固相产率（SY），210 °C、3 h条件促进碳致密化，液相TOC降低说明可溶中间体减少。3.2 Elemental Analysis显示，碳含量随HTC严重度上升，H/C和O/C原子比下降，Van Krevelen图向左下方移动，说明脱水、脱羧和芳构化增强；210 °C、3 h样品O/C降至0.35，与低TOC一致。3.3 Surface Chemistry中，FTIR显示O–H、C–H减弱，芳香C═C增强；XPS表明Pyro-HC的C/O由5.04升至22.92，sp²石墨碳占82.00%，含氧基团显著减少；Raman显示D带从1368移至1357 cm^–1，I_D/I_G由0.68升至0.72，说明sp²芳环簇轻度长大、缺陷减少，但未发生广泛石墨化。3.4 Morphology显示，HC与Pyro-HC均为1–2 μm微纳米球，热解至600 °C未改变球形形貌，球面较光滑，互连形成空隙但不构成本征孔。3.5 Electrochemical Characterization表明，HC的双电层电容（C_dl）在60–66 μF cm^–2较稳定，Pyro-HC在中性电解质中升至205 μF cm^–2；OER电流密度和Tafel斜率仍属典型无金属碳，碱性下HC活性高于Pyro-HC，说明表面含氧官能团与界面电荷过程相关。

讨论与结论部分，研究人员指出温度是最显著影响水热炭形成的因素，停留时间和生物质/水比协同促进缩聚与芳构化。热解主要去除含氧官能团、扩大sp²域并提高界面可及性，但不改变形貌。OER在此用作探究本征电化学活性的探针：原始水热炭靠含氧表面态参与界面过程，热解后材料更趋石墨样，双电层行为更受sp²网络控制。结论为，该研究建立了葡萄糖HTC严重度、碳相分配、结构/表面化学演化和电化学响应间的定量关联；受控化学致密化而非经验性能优化，可指导生物质衍生碳用于能量转换与存储。研究发现为生物质增值为高性能碳材料提供了机制基础，并证明模型前驱体策略能有效隔离HTC—结构—电化学因果链。