《Bioresource Technology》：Waste-derived hierarchical biochar with lignosulfonate/melamine-induced mesopore formation and S-assisted N retention for sustained nutrient delivery
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•通过真空处理和热转化技术，对废弃物衍生生物炭进行了工程化设计。•2.7纳米孔隙有效限制尿素并抑制其初期快速释放。•氮和硫表面位点增强了尿素持留能力。•孔隙限域效应与表面相互作用协同作用，延长了养分释放时间。引言由农业氮素淋溶引起的严重环境污染问题，主要源于常规化肥的快速溶解
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通过真空处理和热转化技术，对废弃物衍生生物炭进行了工程化设计。
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2.7纳米孔隙有效限制尿素并抑制其初期快速释放。
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氮和硫表面位点增强了尿素持留能力。
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孔隙限域效应与表面相互作用协同作用，延长了养分释放时间。
引言
由农业氮素淋溶引起的严重环境污染问题，主要源于常规化肥的快速溶解和不受控释放，仍是可持续农业面临的关键挑战。尿素作为一种典型的具有高溶解性的氮源，在水环境中极易快速解吸，导致显著的养分流失和对幼苗的严重非生物胁迫（Asiain-Mira等人，2024；Fan等人，2025）。因此，开发高效的缓释递送系统以精确调控养分的吸附热力学和质量传递动力学，对于实现清洁农业生产至关重要（Wang等人，2022）。将农业废弃物升级转化为生物炭被认为是理想的缓释肥料载体策略，这得益于其丰富的孔隙结构、优异的物理化学稳定性以及与各组分递送系统的出色相容性（Chen等人，2023；Lu等人，2025）。原始生物炭主要依赖弱且非特异性的范德华力进行物理吸附；这种物理捕获在热力学上是可逆的，不足以抵抗陡峭的浓度梯度，也无法在水环境中牢固锚定极性的尿素分子。此外，尿素分子与原始生物炭中不明确的孔结构之间存在固有的尺寸不匹配，引发严重的空间位阻效应，进一步限制了颗粒内扩散和整体吸附能力。
针对生物炭孔隙结构的定向修饰已被广泛研究以优化其环境应用性能。传统的调控策略，包括化学活化法和硬模板法，通常通过剧烈的碳骨架蚀刻来扩大孔径并最大化比表面积（Shafawi等人，2021）。这些扩大的大介孔和大孔网络有利于大分子污染物的快速扩散，但为尿素等小型极性分子提供的空间限域作用极为有限（Tan等人，2024）。此外，传统的成孔过程常伴随着表面含氧和含氮官能团的严重消耗（Mendon?a等人，2017）。物理孔隙扩展与化学活性位点富集之间的固有矛盾，使得常规改性生物炭极难实现小分子尿素的长期化学锚定。通过定制界面化学以构建特定的分子锚定位点，对于提高尿素解吸所需的活化能至关重要。杂原子掺杂，特别是氮和硫的掺杂，已被证明在调节碳骨架的局部电子密度和表面极性方面非常有效（Luo等人，2022；Zhang等人，2026）。特定的氮构型（吡啶氮和吡咯氮）可作为强路易斯碱和氢键受体，与尿素形成稳定的界面氢键（Zhang等人，2026），而高极化性的噻吩硫原子则能增强局域静电场（Sun等人，2023）。这种协同的多原子构型增强了偶极-偶极相互作用，将相对惰性的碳表面转变为异质高能环境，从而通过特定的物理化学键实现对尿素分子的深度封存。
尽管已有上述认识，但通过可扩展工艺在生物炭基载体中精确协同调控孔隙拓扑结构与活性杂原子构型仍然是一个重大挑战（Cao等人，2025）。为解决这一空白，本研究提出了一种协同热化学重构策略，将农业和工业副产品升级转化为先进的养分递送平台。通过木质素磺酸盐和三聚氰胺与稻壳生物炭的真空浸渍和原位共热解，碳界面得到根本性重建。具体而言，木质素磺酸盐作为辅助碳源和硫基质，而三聚氰胺同时作为热致气源和氮源发挥作用。三聚氰胺在热解过程中的分解构建了高度异质的多孔网络并显著提高了比表面积，同时驱动深度交联反应，将高密度路易斯碱性杂原子位点接枝到新形成的孔壁上。这从根本上改变了表面电子密度和极性，成功实现了平均孔径的有效细化与新构建限域空间内界面官能团的显著富集。最终，这种双重优化构建了一个具有强空间限域效应和高化学亲和力的理想缓释微环境，为缓解农业面源污染提供了可扩展的结构平台。
各节摘要
材料与试剂
原始稻壳采集自中国安徽合肥。冰醋酸（CH3COOH，99.5%）、木质素磺酸钠（LS）、三聚氰胺（M）、尿素（99%）和对二甲基氨基苯甲醛（p-DMAB）均购自麦克林生物化学有限公司（中国上海）。所有化学试剂均为分析纯级，未经进一步纯化直接使用。所有水溶液均使用去离子（DI）水配制。
RBC材料的制备
原始稻壳生物炭（RBC）通过直接热解法制备。将干燥的稻壳加热
工程化生物炭的孔隙结构重建
系统评估了通过真空浸渍和共热解制备的工程化生物炭的拓扑结构和微观形貌。扫描电镜图像（图2A）直观地揭示了结构重构过程。RBC的表面相对致密且光滑。单独使用LS修饰（LSRBC）导致热解焦油积聚，引起严重的孔道堵塞。M的引入起到热敏气源的作用。在500℃原位热解过程中，受限空间内的M
结论
通过木质素磺酸盐和三聚氰胺的真空浸渍和原位共热解，制备了N/S共掺杂稻壳生物炭用于尿素的持续释放。硫辅助的氮保留保留了高达2.56%的氮，而木质素磺酸盐/三聚氰胺诱导的孔隙结构重建和介孔形成使平均孔径从28.41纳米减小至2.71纳米，比表面积从5.42平方米/克增加至120.70平方米/克。限域孔隙网络和N/S表面位点提高了尿素的持留能力并促进了
数据可用性
本研究的电子补充数据可在该论文的在线版本中找到。
作者贡献声明（CRediT）
丛宇阳：撰写——初稿、资源获取、方法论、数据整理、概念构思。邱东妮：撰写——初稿、数据整理、概念构思。李杰：形式分析、数据整理。陈洪浩：软件。黄振霖：形式分析。潘宇辰：数据整理。王东海：撰写——审阅与编辑、指导。张柯：撰写——审阅与编辑。王明峰：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到安徽省高校科研项目（2023AH051035）和国家自然科学基金（51706074）的资助。
丛宇阳|邱东妮|李杰|陈洪浩|黄振霖|潘宇辰|王东海|张柯|王明峰
