清华张莹莹Small: 生物质衍生碳材料：可控制备和多功能应用

雨辰

2021-06-21

生物质衍生碳材料 (BCM) 因其多功能特性和广泛的应用前景，正处于发展的最鼎盛时期。目前已经制备了许多 BCM，包括 0D 碳球和碳点、1D 碳纤维和碳管、2D 碳片、3D 碳气凝胶和分级碳材料。同时，它们的结构-性质关系及其应用也得到了广泛的研究。

有鉴于此，清华大学张莹莹教授等人，综述了BCMs的可控制备及其潜在应用的研究进展。首先，介绍了典型生物质的化学组成及其热降解机理。然后，总结了BCM的典型制备方法，并讨论了相关的结构管理规则。此外，还介绍和讨论了提高 BCM 结构多样性的策略。此外，还回顾了 BCM 在能源、传感、环境和其他领域的应用。最后，讨论了 BCM 领域的剩余挑战和机遇。

本文要点

1）尽管已经开发了各种生物质前体、碳化方法和其他策略来合成 BCM，但仍有许多挑战需要解决，以实现不同的应用目的。特别是在能量转换和存储领域，需要具有杂原子掺杂、大 SSA、高 TPV 和高石墨化程度的 3D BCM。此外，对于传感应用，具有高导电性、良好柔性、轻质和高化学稳定性的 BCM 是首选。例如，具有稳定微结构、高导电性和良好柔性的 BCM 可用于制造高性能柔性应变和压力传感器。然而，同时制备具有所有上述特性或性能的 BCM 仍然很困难。此外，对于 BCMs 在环境领域的应用，高 SSA、发达的多孔通道和丰富的表面官能团将有利于污染吸附和水净化。然而，为了提高SSA和孔隙率，化学活化处理和随后的杂质去除是必要的，这通常消耗额外的能量并产生大量的污水。

2）此外，由于生物质的内在异质性，包括化学成分和物理结构，BCM 的机械性能较低，阻碍了其作为增强材料的应用。同时，BCM的大规模工业应用仍受到成本和生产规模的制约。例如，活化 BCM 的制备总是涉及高能耗的合成过程和腐蚀性化学品。需要开发简单、绿色的制备方法来合成低成本、环保、高性能的 BCM。毫无疑问，具有可控结构和多功能特性的 BCM 将为能源和环境困境提供更多解决方案。

参考文献：

Yiliang Wang et al. Biomass-Derived Carbon Materials: Controllable Preparation and Versatile Applications. Small, 2021.

DOI: 10.1002/smll.202008079

https://doi.org/10.1002/smll.202008079