生物质水热碳化制备负碳材料：反应机理、结构调控与应用前景

《Industrial Crops and Products》：A functional food ingredient featuring immune-enhancing and antioxidant properties: Buddleja officinalis Maxim polysaccharide (BOM0.05S2)

　　本文系统综述了生物质水热碳化(HTC)技术制备负碳材料的最新进展，重点探讨了HTC反应机理、结构调控策略及其在能源、环境修复、催化和土壤改良等领域的应用，为高效合成高性能负碳材料提供了理论指导和技术支持。

　　

在全球碳中和目标与气候变化的双重压力下，开发具有负碳潜力的技术显得尤为重要。生物质作为一种可再生、碳中性且储量丰富的资源，在碳封存方面展现出巨大潜力。然而，如何将不稳定的生物质有机碳转化为结构稳定的碳材料，实现长期碳封存，是当前面临的重要挑战。水热碳化(HTC)作为一种温和的热化学转化工艺，特别适合处理湿生物质，能够高效合成结构可调的碳材料。但HTC过程涉及复杂的反应机制，跨越多学科领域，在精确控制反应路径方面仍存在持续挑战。

为系统阐述生物质HTC合成负碳材料的研究进展，研究人员在《Industrial Crops and Products》上发表了综述文章，系统总结了HTC技术在负碳材料合成领域的最新研究成果。研究团队主要采用了文献调研和数据分析方法，系统收集和整理了近年来HTC领域的研究成果，通过对比分析和归纳总结，揭示了HTC反应机理和结构调控规律。研究还采用了多种表征技术数据，包括扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析(BET)、X射线光电子能谱(XPS)等，深入分析了生物质HTC过程中材料结构和性质的变化规律。

水热碳化：负碳材料的新途径

研究人员系统阐述了HTC的基本原理和技术优势。HTC在相对较低的温度(100–250℃)和自生压力(1–5 MPa)下进行，主要生成固体产物水热炭(hydrochar)。与自然煤化过程类似，HTC过程中亚临界水的性质发生显著变化，密度和介电常数降低，电离程度增加，使其同时具备溶剂、反应物和催化剂的多重功能。这些特性促进了水解、脱水、脱羧、缩合和芳构化等关键反应，从而实现了碳富集和水热炭的形成。

生物质的水热碳化特性

研究详细分析了不同类型生物质的负碳潜力及其HTC特性。生物质主要包括农业生物质(AGB)、林业生物质(FB)、水生生物质(AQB)和有机固体废物(OSW)四大类。这些原料在化学组成、生长周期和资源化利用适用性方面存在显著差异。通过元素分析和工业分析发现，生物质HTC过程中，水热炭的碳含量和固定碳含量显著增加，而氧含量和挥发分含量大幅降低。随着水热温度的升高，H/C和O/C摩尔比持续下降，表明脱水和脱羧是HTC过程中的主要化学转化。

功能化碳材料的制备策略

为提高水热炭的功能性能，研究人员开发了多种调控策略。生物质预处理是提升材料性能的关键步骤，酸处理可以破坏半纤维素结构，碱处理能选择性去除木质素，溶剂预处理则通过破坏氢键网络提高反应活性。活化处理是构建分级孔结构的有效方法，包括物理活化(CO₂、水蒸气)和化学活化(KOH、ZnCl₂、H₃PO₄)。杂原子掺杂策略通过引入氮、硫、磷等元素，显著改善了材料的电化学性能和反应活性。主客体组装策略则将活性纳米组分引入碳基主体基质，实现了结构稳定性和界面活性的协同提升。

碳材料的多元化应用

能源与燃料领域，水热炭因其增加的碳含量和热值，表现出类煤特性，适合作为固体燃料用于燃烧基能源应用。研究显示，水热炭具有更高的着火温度和固定碳含量，燃烧过程更平稳稳定。

环境治理方面，HTC碳材料在CO₂捕集、污水处理等方面表现出色。通过KOH活化制备的微孔吸附剂在宽温度范围内表现出优异且可逆的CO₂吸附能力，吸附动力学快速，10次吸附-脱附循环后仍保持高性能。

土壤改良应用表明，水热炭能有效增加土壤孔隙度，改善土壤结构，降低容重。其丰富的微孔结构和表面亲水官能团显著提高了土壤保水能力和有效水分含量，有助于缓解干旱和涝渍胁迫。

能源存储领域，HTC碳材料通过可调的孔隙结构和杂原子掺杂，在锂离子电池、钠离子电池和超级电容器中表现出高容量、优良倍率性能和循环稳定性。例如，芦苇膜衍生的多孔层堆叠活性碳构建的对称超级电容器在5000次循环后仍保持99.5%的初始电容。

催化应用显示，HTC碳材料不仅作为高性能纳米催化剂的理想载体，其本身也表现出固有的催化活性。在热催化、电催化和光催化过程中，HTC碳材料均展现出良好的应用前景。

研究结论与展望

该综述系统阐述了生物质HTC制备负碳材料的技术路径和应用前景。通过精确调控温度、停留时间、固液比和pH等关键工艺参数，可以有效定制水热炭的结构特性。生物质主要组分在HTC过程中遵循不同的转化路径，纤维素经历水解、脱水和聚合形成均匀碳微球，半纤维素易于解聚和再聚合形成较小碳颗粒，木质素主要通过键断裂和芳构化产生无定形富碳结构。

尽管HTC技术在可持续材料生产和生物质增值方面前景广阔，但在规模化应用和替代化石基技术方面仍面临挑战。未来需要在放大化与可持续性、碳分子定向合成机理、水热炭材料功能拓展、与可再生能源系统集成以及人工智能驱动优化等方向进行深入研究。HTC作为碳减排技术，有望在碳捕集、利用和封存系统中发挥关键作用，为实现碳中和目标提供重要技术支撑。