《Sustainable Materials and Technologies》：Conductive biocarbon from agricultural waste for sustainable and smart agriculture
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摘要农业废物衍生生物炭正作为可持续、低成本的替代方案，出现在智慧农业领域，以取代传统纳米碳材料。农业残留物可通过热化学转化成为导电生物炭，通过控制热解条件和活化策略，可调节其石墨化程度、分级孔隙率和表面化学性质。本综述首先考察了农业废物衍生导电生物炭的合成与结构设计，突出了碳
摘要
农业废物衍生生物炭正作为可持续、低成本的替代方案，出现在智慧农业领域，以取代传统纳米碳材料。农业残留物可通过热化学转化成为导电生物炭，通过控制热解条件和活化策略，可调节其石墨化程度、分级孔隙率和表面化学性质。本综述首先考察了农业废物衍生导电生物炭的合成与结构设计，突出了碳化和活化方法将电气导电性和渗流行为联系起来的结构 - 性能关系。随后考察了它们在智慧农业中的应用，包括用于实时植物生理监测的柔性平台、用于食品分析的电化学传感器，以及智慧农业系统中的湿度和温度传感器。确定了关键挑战，并概述了生物炭传感器的未来前景。通过连接农业废物增值利用与精准农业和智慧农业的需求，农业废物衍生导电生物炭为更具韧性、数据丰富且环境友好的农业系统提供了多功能材料平台。
引言
现代农业面临着可持续管理农业废物同时提高生产力的交织挑战 [36], [54]。每年产生数十亿吨秸秆、壳和茎等残留物，通常被焚烧或任其分解，导致空气污染和温室气体排放 [5], [39], [53], [91]。与此同时，在耕地有限、水资源短缺以及传统肥料和农用化学品收益趋于停滞的约束下，农作物产量必须提高以满足不断增长的人口需求 [25]。这些压力促使采取既能对农业废物进行增值利用，又能实现更精准、资源高效农业的策略 [59], [98]。将农业废物转化为功能性生物炭提供了实现这一目标的一条令人信服的途径 [15], [21], [41], [72], [80]。通过热解及相关热化学过程，农业残留物可以转化为生物炭，这是一种富含碳的多孔材料，传统上用作土壤改良剂，用于提高肥力、保水性和碳封存，以及用于环境修复 [10], [42], [56], [80]。在纳米结构化、活化和杂原子掺杂方面的近期进展扩展了生物炭的作用，使其超越了被动的土壤改良 [29], [45], [48], [55], [61]。高温碳化、化学活化和纳米工程可以产生具有接近工程纳米碳材料（如碳纳米管 (CNT) 和石墨烯）电导率和界面特性的生物炭 [58], [60], [92]。这样，生物炭正在演变为能够在农业系统中积极参与传感的智能碳平台。因此，将低成本的农业废物增值转化为高价值的导电生物炭既解决了废物管理问题，又为先进的农业技术提供了可持续材料 [76], [77], [79]。导电生物炭结合了传统生物炭的分级孔隙率和丰富的表面化学性质，以及电子和电化学应用所需的电导率。这些生物炭可再生、低成本，并与绿色化学原则相容，其性能可通过处理条件、纳米结构和掺杂进行调节 [9], [43], [85]。在智慧农业框架中，该框架集成了传感器、物联网 (IoT) 技术和数据分析，以实时监测作物和土壤，这种导电生物炭可以推动低成本现场部署设备的发展 [13], [24], [56], [89]。
因此，本综述首先讨论由农业废物衍生的导电生物炭的合成和结构设计，重点强调热解温度、活化策略和后续处理等处理参数如何塑造微观结构、表面化学和导电性（图 1）。然后检查与传感相关的关键电性能和渗流行为。核心部分重点介绍这些生物炭实现的智慧农业应用，包括用于植物生理监测平台的柔性应变传感器、用于食品安全分析的高性能电化学传感器，以及用于智慧农业的湿度和温度传感器。最后，本综述批判性地分析了生物炭在这些高级应用中相关的挑战和前景。通过整合材料科学、农学和环境工程的视角，旨在证明导电生物炭不仅在技术上是可行的，而且有可能成为可持续智慧农业的变革性组成部分。
章节片段
农业原料
农业废物是一类残留物，其组成和处理特性差异巨大，这些差异直接影响所产生生物炭的结构和电行为 [23], [33], [34], [49], [70], [104], [111]。农业废物可大致分为田间残留物和加工残留物，每种都独特地决定了衍生生物炭的性质 [40], [73], [96]。田间残留物，如玉米秸秆、小麦秸秆、大豆茎秆，
生物质衍生生物炭的合成与结构
生物炭的结构设计和合成从根本上取决于所选原料，因为其固有的纤维素、半纤维素、木质素和灰烬比例决定了碳化过程中的挥发分行为率和产量 [7], [100]。纤维素和半纤维素主要在约 200 至 400 °C 之间分解，产生富含含氧官能团的生物炭，而木质素在更宽的 250–500 °C 窗口内分解，并提供更多的芳香碳 [82], [109]。衍生自...的生物炭
生物炭电导率的工程化
实现和控制电导率是生物炭基材料在传感器和电子设备中应用的核心，因为体电导率、界面电荷转移电阻和渗流行为共同决定了设备能产生的信号。在中温下未经活化产生的原始生物炭通常只有轻微导电性甚至是半导体性，因为其大部分非晶碳框架含有许多缺陷和异原子 [4], [33]
生物炭在智慧农业中的应用
生物炭在智慧农业中的应用跨越多个功能领域，反映了其可调节的导电性、孔隙率和界面化学。在接下来的部分中，注意力首先集中在用于实时植物生理监测的柔性应变传感器上，其中基于生物炭的复合材料被加工成可佩戴在植物上的设备，能够以高分辨率跟踪生长 [30], [92], [102]。讨论随后转向高性能电化学传感器用于
挑战与未来展望
将农业废物衍生的导电生物炭应用于智慧农业，引发了相互关联的科学、技术和经济挑战。生物炭在碳化程度、表面化学和灰分含量方面显示出很大的可变性，这取决于原料和处理条件 [38], [69], [72]。这种可变性直接影响传感器的性能和稳定性，目前限制了批次间的可重复性。为了实现传感器批次间的可重复性
结论
农业残留物正在成为支持智能和可持续农业的导电生物炭的战略原料。控制热解和活化允许调节石墨化有序度、分级孔隙率和表面化学，以产生电性能适合柔性植物可穿戴应变传感器、电化学食品安全平台和土壤湿度及温度设备的生物炭。设备性能反映了导电网络的耦合效应
CRediT 作者贡献声明
王千千：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，获取资金，概念化。周阳：写作 – 原始草稿。王鑫宇：写作 – 审阅与编辑。钟林：写作 – 审阅与编辑。龙宇：写作 – 审阅与编辑。周奥杰：写作 – 审阅与编辑。徐佳怡：写作 – 审阅与编辑。刘俊：写作 – 审阅与编辑。刘欢：写作 – 审阅与编辑。朱千千：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，资金
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究获得了国家自然科学基金（项目编号：22278195）、镇江市重点实验室（SS2024006）和江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220552）的资金和支持。进一步的资助由苏州科技大学江苏省水处理技术与材料协同创新中心以及广西生物炼制重点实验室开放基金（项目编号：
王千千 | 周阳 | 王鑫宇 | 钟林 | 龙宇 | 周奥杰 | 徐佳怡 | 刘俊 | 刘欢 | 朱千千
江苏大学，镇江重点实验室，环境与安全工程学院，生物燃料研究所，中国镇江 212013
