哈！原來你是這樣的生物質(zhì)碳材料！

碳材料廣泛應(yīng)用于電極材料，例如碳納米管和石墨烯等。然而，制備嚴(yán)重依賴基于化石燃料的前驅(qū)體，合成條件比較嚴(yán)苛，對環(huán)境壓力較大且生產(chǎn)成本較高。

自然界的生物質(zhì)材料富含碳元素且有著獨(dú)特的天然微結(jié)構(gòu)，因而可作為十分有潛力的碳材料前驅(qū)體，進(jìn)而可成為性能良好的碳材料電極。此外，生物質(zhì)碳材料因來源的廣泛性，因此在碳材料的應(yīng)用中，生物質(zhì)源碳材料具有可再生性、易加工性、可調(diào)控表面性能和相對低的成本等優(yōu)勢而引起行業(yè)關(guān)注，得益于當(dāng)前的能源政策，生物質(zhì)碳材料在新型的儲能材料中有著不錯的應(yīng)用前景。

生物質(zhì)碳材料的結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)碳材料因生物質(zhì)源的多樣性，其微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相應(yīng)的多樣性，如球形、纖維狀、片狀、管狀以及棒狀等。物質(zhì)的性質(zhì)由其結(jié)構(gòu)所決定，不同的結(jié)構(gòu)的碳材料，在內(nèi)部孔隙、表面化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能等方面也有著較大的差異，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也略有不同。當(dāng)前研究應(yīng)用較為廣泛的多為球形結(jié)構(gòu)、纖維狀、管狀及片狀等４種結(jié)構(gòu)。

球形結(jié)構(gòu)

在儲能領(lǐng)域中，電極材料的微觀物料特性越好，所制造的電池的性能也更優(yōu)良。球形結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)碳材料由于其出色的表面化學(xué)性質(zhì)和獨(dú)特結(jié)構(gòu)，在電極材料等儲能領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。目前大多數(shù)表面光滑的球形生物質(zhì)碳材料多以糖（蔗糖和葡萄糖）為原料制備。

純粹的球形生物質(zhì)碳材料雖有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，但仍有改良空間，通過與其他材料的復(fù)合可以進(jìn)一步的增強(qiáng)其性能。

纖維狀結(jié)構(gòu)

碳纖維（CFs）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、較高的表面積、良好的柔韌性以及高抗拉強(qiáng)度，在高強(qiáng)度輕質(zhì)復(fù)合材料、催化劑載體、生物化學(xué)、電磁屏蔽以及超級電容器、鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池等領(lǐng)域有著較好的前景。自然界中，如亞麻、苧麻、莖皮、蓮蓬等具有纖維結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)，能夠很好的制備出不同微觀結(jié)構(gòu)的碳纖維材料，而不同微結(jié)構(gòu)的碳纖維在共性以外也具有各自獨(dú)特的應(yīng)用。

碳納米纖維的電鏡圖

管狀結(jié)構(gòu)

管狀碳材料可為電子或離子傳送提供通道，還可形成緩沖空間，在充放電過程加速電解質(zhì)離子從電解質(zhì)溶液到電極內(nèi)部孔隙的擴(kuò)散與遷移，縮短離子擴(kuò)散的路徑。具有中空管狀結(jié)構(gòu)生物質(zhì)材料可作為具有導(dǎo)電活性的碳材料前驅(qū)體。此外某些多糖類物質(zhì)也可生產(chǎn)管狀結(jié)構(gòu)碳材料。

熱解木質(zhì)素的掃描電鏡圖

片狀結(jié)構(gòu)

二維碳材料具有高縱橫比、優(yōu)異導(dǎo)電性和良好機(jī)械性能的特性。采用某些獨(dú)特的生物質(zhì)原料通過特殊的技術(shù)可以用來生產(chǎn)片狀結(jié)構(gòu)的碳纖維材料，同時具有較高的縱橫比、良好的導(dǎo)電性和不錯的機(jī)械性能。

生物質(zhì)碳材料的合成方法

已有的生物質(zhì)碳材料制備方法主要有直接碳化法（高溫分解法）、活化法、水熱碳化法和模板法。

直接碳化法

髙溫碳化的目的是為了除去原料中的有機(jī)或者易揮發(fā)的成分從而得到具有的一定孔徑結(jié)構(gòu)的碳材料，該過程中發(fā)生了一定程度的熱解和縮聚反應(yīng)。一般植物類碳材料的熱解反應(yīng)步驟：

（1）300-470Ｋ溫度階段：脫水過程，化學(xué)成分并未改變。

（2）470-770K溫度階段：熱解開始，產(chǎn)生大量焦油、氣體，化學(xué)成分開始改變，碳骨架形成。

（3）770-1120K溫度階段：熱解過程，產(chǎn)生大量反應(yīng)物，碳骨架強(qiáng)化。

不同原料的熱解溫度也不相同，但是這些過程之間并沒有特別嚴(yán)格的界限。影響最后碳化結(jié)果和所得材料結(jié)構(gòu)的因素有很多，比如碳化溫度、升溫過程、不同溫度階段的保溫時間和材料本身的結(jié)構(gòu)和粒度等。

活化法

活化：反應(yīng)前加入到材料中的活化成分與碳材料內(nèi)部的碳原子之間發(fā)生理化反應(yīng)消耗碳原子，同時生成金屬鹽或者揮發(fā)性氣體，進(jìn)而產(chǎn)生豐富的孔結(jié)構(gòu)。活化劑的選用、活化處理時間長短、活化反應(yīng)溫度及活化劑的使用量都能夠影響活化的最后結(jié)果。

常用的活化方法分以下三種：

化學(xué)活化

化學(xué)試劑為活化劑，將其鑲嵌進(jìn)入碳骨架，通過系列交聯(lián)或縮合聚合制備活性碳的方法。該方法所需活化時間短、活化反應(yīng)過程易控制且產(chǎn)物的比表面積大。

物理活化

主要是以CO2、H2O等氧化性氣體作為活化成分，在活化過程中充入活化氣體，高溫反應(yīng)階段能夠除掉反應(yīng)過程中產(chǎn)生的非組織碳中間物質(zhì)，并且也能夠與結(jié)構(gòu)中的活性碳原子之間相互作用。

復(fù)合活化

物理活化和化學(xué)活化有效的結(jié)合，兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，但同時也有均勻性差，活化程度不好控制，有效性差等不足。

水熱碳化

水熱碳化過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)主要包括５個步驟：水解、脫水、脫羧、聚合和芳環(huán)化。該方法具有簡便、效率高和無污染等優(yōu)點(diǎn)。

模板法

以多孔材料作為模板，以含碳的生物質(zhì)小分子為碳源，通過一定方法將碳源注入模板的孔道中，使其聚合、固化，然后通過高溫碳化形成碳和模板的混合體，最后除去模板而得到生物質(zhì)碳的方法。此方法優(yōu)點(diǎn)是可以通過選擇合適的模板和碳源來調(diào)控碳材料的孔徑。

生物質(zhì)碳材料的研究現(xiàn)狀

用于超級電容器方面的研究

碳材料因具有高穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性和高SSA等性質(zhì)而被運(yùn)用于超級電容器電極材料。生物質(zhì)碳材料具有無污染、低消耗以及原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，此外還具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、較高的表面積以及良好的電化學(xué)性能，因此一些研究者開始考慮將生物質(zhì)碳材料應(yīng)用于超級電容器。

用于離子電池方面的研究

離子電池由于具有電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。目前的離子電池負(fù)極碳片的碳源主要為化石能源，所以一些研究者考慮將生物質(zhì)碳材料作為離子電池負(fù)極碳片的原材料。

用于導(dǎo)電涂料方面的研究

生物質(zhì)碳纖維具有與化石燃料生產(chǎn)的碳纖維一樣的導(dǎo)電特性，獨(dú)特的生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)能夠使其與傳統(tǒng)的碳纖維有些不同，因此在導(dǎo)電涂料領(lǐng)域中也有著很大的潛力。

用于其他方面的研究工作

生物質(zhì)碳纖維，在碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域都有著廣泛的研究前景，不同生物質(zhì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的碳纖維在不同領(lǐng)域的應(yīng)用充滿著未知的樂趣，隨著相關(guān)研究的進(jìn)展，生物質(zhì)碳纖維或許在未來的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域扮演著重要的角色。