众所周知，生物质作为一种可再生资源，含有丰富的碳，为生物质基碳材料的开发和应用提供了丰富的原料。利用可持续、廉价的生物材料作为原料制备高性能碳电极，可以减少对不可再生资源的依赖，为储能领域带来巨大效益。一些生物质基碳电极材料具有高ssa、大孔隙率、杂原子掺杂、多种纳米结构和好的物理化学稳定性，这使得其在作为电极材料时能产生高电容、良好的倍率性能和循环稳定性(图1)。基于上述问题，js金沙所有登入网址材料科学与工程学院博士研究生张韩方（第一作者）在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队张以河教授（通讯作者）和孙黎副教授（通讯作者）的共同指导下，综述了近年来生物质碳材料的合成方法和机理，比较了不同合成方法对所得碳材料微观结构和理化性能的影响。此外，还讨论了相同或不同生物质碳材料在超级电容器(包括水电解质、离子液体电解质、有机电解质和固体电解质)中相同或不同电解质体系下电化学性能的差异。通过对这些材料性能的对比分析提出了目前生物质基碳材料的一些亟待解决的问题如下：

1.生物质组成和结构的多样性对准确有效地控制碳材料的微观结构提出了巨大的挑战，极大地影响了所得碳材料的性能稳定性。寻找高碳低灰生物质是利用生物质碳作为电极材料的第一步。如果生物质中的无机物含量过高，虽然这些无机物的后处理会产生额外的孔隙，但无机物的去除可能涉及强酸、强碱和有毒物质的使用，从而提出了更高的要求。对设备的要求也增加了生产成本。其次，总结分析常见生物质和有机废弃物的宏观和微观结构及组成，建立相关记录档案，对生物基碳材料的开发具有重要意义。

2.根据要合成的碳材料的微观形态选择相应的生物质碳源对于最大限度地利用生物质尤为重要。例如，具有管状结构的生物质更容易制成碳纳米管，而没有纤维结构的生物质(葡萄糖)更容易制成碳纳米球。

3.有必要探讨生物质类型与碳化方法之间的关系。单一的方法很难完全满足生物质基电极材料的性能要求，需要根据生物质材料的组成采取不同的碳化和活化方法。值得注意的是，自模板法为生物质碳材料的合成提供了新的思路。

4.生物质基碳材料中不同的表面官能团对其电化学性能的影响尚不清楚。生物质中的杂原子是复杂的。多种杂原子相互作用，给生物基碳材料的电化学性能研究带来了困难。采用单一纯物质作为碳源和掺杂剂控制杂原子含量可以简化研究过程，对分析生物质基碳材料表面官能团的电化学反应机理具有重要意义。如何进一步提高生物质基碳材料的电化学性能将是今后研究的重点。

5.生物质制备的碳材料多为无定形炭，微观形貌也不规则。因此，生物质基碳材料的商业化量产很难保证批次材料之间电化学性能的一致性。此外，产品质量难以保证，限制了生物质基碳材料在高性能动力电池领域的应用。因此，如何优化制备方法，制备微观形貌规则的低成本生物质基碳材料，如碳纳米管、碳纳米球、石墨烯等，也是一个非常具有挑战性的问题。

图1 不同微观结构的超级电容器用生物质基碳材料

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Zhang, H; Zhang, Y; Bai, L; Zhang, Y; Sun, L, Effect of physiochemical properties in biomass-derived materials caused by different synthesis methods and their electrochemical properties in supercapacitors. Journal of Materials Chemistry A 2021, 9 (21), 12521-12552. [IF 2022=14.511]

全文链接：DOI: 10.1039/D1TA00790D