竹質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)變多孔炭材料

2025年初，一項(xiàng)發(fā)表在《Biomass and Bioenergy》上的研究——通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控活化溫度，研究人員將廢棄竹纖維轉(zhuǎn)化為比表面積高達(dá)2768平方米/克的多孔碳材料，相當(dāng)于將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)壓縮進(jìn)一克重的材料中。

突破性制備工藝，廢物蛻變?yōu)楦咧挡牧?/span>

竹纖維轉(zhuǎn)化為高性能多孔碳的旅程始于一場(chǎng)“清潔革命”。在傳統(tǒng)生物質(zhì)碳材料生產(chǎn)中，原料需要經(jīng)歷復(fù)雜的清洗和化學(xué)處理流程，不僅耗費(fèi)大量水資源，還會(huì)產(chǎn)生二次污染。而*新研發(fā)的竹基多孔碳制備工藝卻另辟蹊徑：僅需清洗、干燥、研磨及低溫碳化四步預(yù)處理，廢棄竹纖維即可進(jìn)入核心轉(zhuǎn)化階段。

工藝核心在于“溫度窗口”的精準(zhǔn)控制。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KOH活化溫度穩(wěn)定在700°C時(shí)，竹纖維內(nèi)部發(fā)生奇妙變化。植物細(xì)胞堅(jiān)固的骨架在碳化過(guò)程中得以保留，而活化過(guò)程則在骨架內(nèi)構(gòu)建起相互連通的微孔-介孔體系。

在精確的溫度控制下，活化劑分子像“精準(zhǔn)的雕刻刀”一般，在竹纖維內(nèi)部蝕刻出層次分明的孔道結(jié)構(gòu)。太低的溫度無(wú)法充分打開(kāi)孔道，而過(guò)高溫度則會(huì)導(dǎo)致孔壁坍塌——700°C正是那個(gè)“金發(fā)女孩溫度”（Goldilocks temperature），恰如其分。

通過(guò)掃描電鏡觀察，*終產(chǎn)物呈現(xiàn)出三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，這些孔道相互貫通，形成了一張巨大的“分子高速公路網(wǎng)”。正是這種*的結(jié)構(gòu)，賦予了竹基多孔碳驚人的比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與性能表現(xiàn)，超級(jí)電容器的理想電極

竹基多孔碳材料的“超能力”源于其*的結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)科學(xué)家們將這種材料置于電子顯微鏡下觀察時(shí)，展現(xiàn)出一個(gè)令人驚嘆的微觀世界：相互連通的微孔與介孔交織成復(fù)雜的立體網(wǎng)絡(luò)，宛如一座精心設(shè)計(jì)的“分子迷宮”。

這種多級(jí)孔結(jié)構(gòu)帶來(lái)了雙重優(yōu)勢(shì)：微孔（<2納米）提供巨大的比表面積，為電荷存儲(chǔ)提供海量“停車(chē)位”；介孔（2-50納米）則作為離子高速通道，確保電荷能夠快速進(jìn)出。研究數(shù)據(jù)顯示，*優(yōu)工藝制備的ACK-700樣品，其比表面積高達(dá)2768 m²/g，遠(yuǎn)超常規(guī)活性炭材料。

在三電極體系測(cè)試中，0.5 A/g電流密度下比電容達(dá)到492 F/g，電荷轉(zhuǎn)移電阻僅0.81 Ω——這意味著電子在材料內(nèi)部流動(dòng)幾乎“暢通無(wú)阻”。這種低內(nèi)阻特性正是高功率輸出的關(guān)鍵。其組裝成的對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器在功率密度為215 W/kg時(shí)，能量密度高達(dá)9.82 Wh/kg。

表：不同竹基多孔碳材料性能對(duì)比

*注：竹筷基碳數(shù)據(jù)來(lái)自不同測(cè)試體系，單位為mAh/g

循環(huán)穩(wěn)定性是考核電極材料實(shí)用性的關(guān)鍵指標(biāo)。ACK-700在經(jīng)歷2000次充放電循環(huán)后，電容保持率高達(dá)89.44%，衰減程度微乎其微。另一組研究中，經(jīng)過(guò)低溫空氣氧化的竹基多孔碳(PAC-600-350)在5000次循環(huán)后仍保持86.59%的電容。

綠色活化技術(shù)創(chuàng)新，環(huán)保與性能的平衡藝術(shù)

傳統(tǒng)多孔碳制備面臨著一個(gè)兩難困境：要獲得高性能，往往需要使用強(qiáng)腐蝕性活化劑如KOH，但其帶來(lái)的環(huán)境污染不容忽視；而環(huán)保型活化劑又難以實(shí)現(xiàn)理想的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控。

解決方法之一：華中師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)選擇食品級(jí)K?CO?作為溫和活化劑。這一創(chuàng)新既避免了強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品的使用，又實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控。其采用梯度設(shè)計(jì)，系統(tǒng)改變竹粉與K?CO?的比例（原料/試劑比1：0-1：4），在800°C下進(jìn)行一步碳化活化。

結(jié)果令人驚喜：*佳樣品BPAC-3的比表面積達(dá)1913.85 m²/g，微孔體積占比超80%。這種以<1納米微孔為主的結(jié)構(gòu)對(duì)CO?分子展現(xiàn)出顯著的“限域效應(yīng)”，使其在0°C/1 bar條件下的CO?吸附量達(dá)6.08 mmol/g，較未活化樣品提升2倍。

雖只是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但呈現(xiàn)出來(lái)的*依然讓人驚喜。

其次是吸附選擇性。BPAC-3的CO?/N?選擇性達(dá)21.5，5次循環(huán)吸附-脫附后性能保持92%。這一突破為生物質(zhì)碳材料的綠色制備提供了新范式，同時(shí)解決了環(huán)保與性能難以兼得的困局。

另一項(xiàng)創(chuàng)新來(lái)自南京林業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)，他們開(kāi)發(fā)出“活化氧化梯級(jí)熱處理技術(shù)”。該技術(shù)先用KHCO?活化竹屑，再進(jìn)行低溫空氣氧化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加350℃低溫空氣氧化工藝后，多孔碳的比表面積從154.361 m²/g提升至264.235 m²/g。

氧化工藝的妙處在于材料表面的化學(xué)修飾。隨著氧化溫度由200℃升高到350℃，材料表面含氧官能團(tuán)（-C=O、-C-OH等）顯著增多，潤(rùn)濕性增強(qiáng)，缺陷程度提高。這些變化使電解液離子更容易進(jìn)入孔道內(nèi)部，從而大幅提升電容性能。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，綠色產(chǎn)業(yè)鏈的雙贏之道

竹基多孔碳材料的興起，正在重構(gòu)竹產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈條。傳統(tǒng)竹材加工中，竹節(jié)、梢頭、刨花和竹屑等剩余物占比高達(dá)30%-50%，大多被棄置或直接燃燒。而現(xiàn)在，這些“廢料”搖身一變成為高附加值碳材料的*原料。

經(jīng)濟(jì)賬令人振奮：據(jù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用竹加工剩余物生產(chǎn)多孔碳，每噸原料價(jià)值提升超過(guò)100倍——從幾十元的廢竹料變?yōu)閮r(jià)值數(shù)萬(wàn)元的高性能材料。

環(huán)境效益同樣可觀。以年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)的多孔碳項(xiàng)目計(jì)算，每年可消納竹廢料約3萬(wàn)噸，減少露天焚燒帶來(lái)的PM2.5排放，同時(shí)固定二氧化碳約6萬(wàn)噸。這種“變廢為寶”的模式完美契合碳中和國(guó)家戰(zhàn)略。

結(jié)語(yǔ)

就目前而言，這種具有前景性的多孔碳不僅停留在實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)實(shí)工業(yè)已經(jīng)有了典型示例。竹材從山林走向城市，從廢棄物蛻變?yōu)榫G色科技材料，勾勒出一條清晰的產(chǎn)業(yè)升級(jí)路徑。隨著這些竹基多孔碳材料進(jìn)入超級(jí)電容器、CO?捕集裝置和鋰硫電池，也許它們正在悄然改變能源與環(huán)境的未來(lái)圖景。