《Journal of Environmental Management》：Effect of hydrothermal and deep eutectic solvent solvothermal pretreatments on the structural evolution of corncob-derived activated carbons for enhanced hydrogen storage and CO
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编辑推荐：
•酸性深共熔溶剂预处理使玉米芯炭化过程朝向超微孔方向进行。•经预处理调控的KOH活化制得比表面积为3084 m2 g?1的STC-AC。•STC-AC在77 K和1 bar下实现了3.08 wt%的H2吸附量。•STC-AC在273 K下捕获了8.98 mmol g?1的CO
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酸性深共熔溶剂预处理使玉米芯炭化过程朝向超微孔方向进行。
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经预处理调控的KOH活化制得比表面积为3084 m2 g?1的STC-AC。
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STC-AC在77 K和1 bar下实现了3.08 wt%的H2吸附量。
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STC-AC在273 K下捕获了8.98 mmol g?1的CO2，在298 K下捕获了5.74 mmol g?1。
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超微孔限域效应决定了H2储存和CO2捕获性能。
引言
对清洁能源储存和有效碳管理的日益增长的需求推动了可持续多孔材料在氢气储存和二氧化碳（CO2）捕获领域的研究（Siegelman等，2021）。氢气因其高质量能量密度和使用过程中无碳排放而被公认为一种有前景的清洁能源载体。然而，实际应用受到储存挑战的限制，包括高能量需求、安全隐患以及压缩或液化所需的专业基础设施（Broom等，2026）。基于吸附的多孔固体储氢方式提供了一种可逆且可能更安全的替代方案，特别是当材料具有窄微孔以增强低温下的氢气物理吸附时（Hirscher等，2023）。与此同时，基于吸附的CO2捕获作为一种胺吸收的替代方案受到了广泛关注，具有再生能耗低、腐蚀减少和操作简化等优势（Singh等，2019；Soo等，2024）。多孔碳因具有高比表面积、可调孔结构、化学稳定性好、成本低廉和可再生能力而在这些应用中尤为引人注目（Blankenship和Mokaya，2022）。
生物质基活性炭提供了一种可持续的方法，利用可再生且经济的原料生产功能性吸附剂。农业废弃物尤其具有优势，因为将其转化为多孔碳既能实现废物增值，又能促进循环经济目标的实现。该过程还能生成适用于环境修复和储能应用的材料（Pereira等，2024）。玉米芯是一种丰富的木质纤维素副产品，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，具有天然的分级结构和较高的碳含量，使其成为活性炭合成的有效前驱体。生物质基碳的吸附效率在很大程度上受到活化前和活化过程中木质纤维素结构转变的影响（Cagnon等，2009；Wu等，2011）。
KOH活化是生产高比表面积活性炭的常用技术。在高温活化过程中，KOH与碳反应生成含钾中间体和气态产物，从而促进碳的刻蚀、晶格扩展和孔洞形成（Illingworth等，2022；Lillo-Ródenas等，2003）。然而，直接活化生物质原料往往效率低下，因为天然木质纤维素中含有大量的挥发分、含氧官能团、矿物质和结构异质区域。这些特征可能导致快速脱挥发分、KOH渗透不均匀和部分结构坍塌，从而限制了微孔的可控发展（W. Chen等，2020）。因此，在活化前对前驱体进行工程设计是提高活化效率和优化孔架构的关键策略。
水热碳化（HTC）是一种温和的预处理技术，通过水解、脱水、脱羧和缩合反应将生物质转化为富含碳的水热炭（L. Zhang等，2015）。HTC增强了前驱体的稳定性并部分破坏了木质纤维素基质，有利于后续的化学活化（Stefanelli等，2023）。然而，水介质中的水热处理通常保留了大量的含氧化结构，仅部分改变了生物质骨架，从而限制了活化过程中的孔发展（Gil-Mu?oz等，2025）。近年来，深共熔溶剂（DES）作为生物质预处理和碳材料合成的多功能介质引起了广泛关注（New等，2022；Shen等，2024）。酸性DES体系促进糖苷键和醚键的断裂，促进半纤维素水解，破坏纤维素，转化木质素，诱导脱水并实现部分矿物去除（Ren等，2025）。这些过程产生的前驱体具有更高的碳含量、更低的含氧官能团和更强的结构均一性，这些特征有利于生产具有吸附活性的多孔碳。
尽管人们对HTC和DES辅助生物质处理越来越感兴趣，但在相同活化条件下水热预处理与酸性DES溶剂热预处理之间的直接比较仍然有限（Ren等，2025；Stefanelli等，2023）。预处理诱导的前驱体转变、超微孔发展和H2/CO2吸附综合性能之间的相互作用尚未得到充分阐明。活性炭中的气体吸附受总表面积、微孔体积、超微孔分布、表面化学和吸附能量的影响（Blankenship和Mokaya，2022；Canevesi等，2022）。对于77 K下的H2吸附，窄微孔通过使相对孔壁的吸附势重叠来促进物理吸附（Sethia和Sayari，2016）。对于近常压下的CO2吸附，超微孔提供强限域效应，由于CO2的分子尺寸和四极矩而增强了低压吸附量（Liu等，2020；Presser等，2011）。
本研究通过三条路线制备了玉米芯基活性炭：直接KOH活化、HTC后KOH活化以及酸性DES溶剂热碳化后KOH活化。酸性胆碱氯化物/磷酸DES预处理旨在强化活化前的木质纤维素破坏、脱氧、芳香缩合和前驱体稳定化。对所得材料进行了表征，以关联前驱体化学、热行为、形貌、表面化学、孔结构和吸附性能。在77 K和1 bar下测量H2吸附，在273、288和298 K下最高约1 bar评估CO2吸附。本工作旨在阐明酸性DES辅助的前驱体工程如何调控超微孔形成并提高农业废弃物基活性炭在储氢和碳捕获中的性能。
章节摘要
材料
玉米芯（CC）作为木质纤维素前驱体用于活性炭的制备。将原始玉米芯用去离子水彻底清洗以去除灰尘和杂质，在90 °C下干燥至恒重。在预处理和活化之前，将干燥后的玉米芯进行机械研磨并通过500 μm筛网筛选，以获得粒径小于500 μm的细粉。氢氧化钾（KOH，Sigma-Aldrich，ACS试剂，≥85%）用作活化剂，
结论
本研究证明，酸性DES溶剂热预处理是一种有效的前驱体工程策略，可将玉米芯废物转化为高性能活性炭用于H2储存和CO2捕获。与直接活化和HTC辅助活化相比，酸性DES-STC更强地转变了木质纤维素前驱体，通过降低挥发分、灰分和含氧量，同时提高固定碳含量、芳香性和热稳定性。这些变化
CRediT作者贡献声明
Massoud Momeni：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式化分析，数据管理，概念化。Seyyed Arash Haddadi：撰写——审稿与编辑，验证，调查，形式化分析，数据管理。Salman Soltanian：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，调查。Sajad Mohammad Zamani：撰写——审稿与编辑，可视化，方法学，形式化分析。Tizazu H. Mekonnen：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）发现基金资助。感谢安大略省农业、食品与农村事务部（OMAFRA）和Biomass Canada（BioFuelNet Canada 网络的一部分）提供的额外支持。
Massoud Momeni|Seyyed Arash Haddadi|Salman Soltanian|Sajad Mohammad Zamani|Tizazu H. Mekonnen|Aicheng Chen|Animesh Dutta
