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中國科大俞漢青院士團隊ES&T|木質纖維生物質碳熱法合成碳納米材料研究進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-11-11 16:13:59

11月9日，中國科學技術大學劉武軍特任教授（第一作者）和俞漢青院士（通訊作者）在Environmental Science & Technology發表了題為“Carbothermally Synthesizing Carbon Nanostructures from Biomass: A New Paradigm for Sustainable Carbon Materials Production”的綜述論文，系統闡釋了基于木質纖維素生物解聚原位碳熱合成功能化碳納米結構的機理與方法。

碳基納米結構——包括石墨烯、碳納米管、納米纖維等多種碳納米材料，以及碳載金屬納米顆粒（含氧化物和碳化物）等碳-金屬雜化組裝體——已引發廣泛學術關注。這些材料在能源與可持續性交叉領域展現出的巨大潛力，正推動著大量研究和技術發展。目前通過化學氣相沉積、電弧放電、合成或天然聚合物碳化等合成技術，已能制備無定形碳材料（如活性炭、炭黑）和晶體結構（如石墨烯、碳納米管/納米纖維），并實現功能與孔隙率的可調控性以滿足特定應用需求。然而傳統制備方法通常存在流程繁瑣、使用有機溶劑與電化學處理、依賴極端溫壓條件的高精密設備等局限，且多數工藝嚴重依賴化石燃料衍生前驅體、金屬催化劑及其他復雜試劑。這些限制因素對規模化生產、商業可行性及環境可持續性構成重大挑戰。以木質纖維素生物質這一可再生資源為核心，結合環境友好型簡化合成策略，為替代化石前驅體合成提供了新路徑。

本文系統評述了基于木質纖維素生物質原位碳熱合成先進碳納米結構的最新進展，闡明其內在機理并聚焦關鍵科學問題。同時深入探討了這類碳納米結構在能源與可持續性交叉領域的應用前景，最終剖析了當前發展面臨的核心挑戰與局限。通過提出碳材料可持續制備的新范式，本綜述旨在促進化學、能源與可持續性跨學科領域的知識融合與科研協作。本綜述系統闡釋了基于木質纖維素生物解聚原位碳熱合成功能化碳納米結構的機理與方法，重點聚焦碳熱還原、碳熱分解與碳熱氣相沉積三項核心工藝。通過整合本課題組實驗數據與前沿研究團隊成果，致力于系統揭示這些納米結構原位形成的關鍵原理、作用機制及工藝路徑，以期推動可持續材料科學這一快速發展領域的持續創新與深入研究。

盡管從生物質熱解中原位碳熱合成碳納米結構已取得顯著進展，但一系列固有局限依然存在，需要開展針對性持續研究。這些局限包括：（1）木質纖維素生物質的組分（纖維素、半纖維素和木質素）存在異質性，導致熱解行為與產物收率不穩定；（2）碳熱反應的固-固特性使傳熱傳質難以均勻，造成產品質量波動。熱解參數（如升溫速率、氣氛）的實時監測與精確控制雖具挑戰性，卻是保證結果可重復的關鍵；（3）生物質衍生碳雖具天然多孔性，但為特定應用（如催化、儲能）調控孔徑分布（微孔/介孔）需額外活化步驟。表面官能團（如─OH、─COOH）豐富，但針對目標應用的分布可能欠佳；（4）生物質熱解理論呈碳中性，但須管控工藝排放（如CO、CO?、揮發性有機物）以避免二次污染。生物油與合成氣等副產物需高值化利用以實現資源閉環；（5）將碳熱合成從克級實驗擴至工業規模面臨嚴峻挑戰：低密度生物質的收集、運輸與預處理（干燥、粉碎）能耗高、成本大；大型反應器內均勻傳熱傳質困難加劇產品非均質性問題；為實現充分石墨化常需超過800℃的高溫處理，導致能源成本攀升，可能削弱使用"廉價"前驅體的經濟與環境效益。

原位碳熱合成面臨的核心挑戰在于：開發能平衡生產效率與實際性能的生物質-納米結構轉化路徑，并實現高價值碳納米結構與生物燃料的聯產。為解決這些多維問題：首要任務是突破生物質熱解復雜機理的解析；順應環境友好技術趨勢，亟需采用可持續方法調控碳納米結構孔隙與表面特性；隨著社會邁向碳中和，精準量化材料合成的可持續性成為關鍵挑戰。通過系統考量上述因素并破解底層復雜性，有望開辟兼具技術先進性、生態友好性與倫理責任感的碳納米結構發展路徑，助推可持續未來圖景的實現。

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