雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料的研究進(jìn)展

王天賀, 林 琳*, 劉 靜, 張 強(qiáng)， 徐文彪, 時(shí)君友

(1.北華大學(xué) 吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132001; 2.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132001)

碳是地球上一切有機(jī)生物體的骨架元素，被稱為“生命之源”[1]。以生物質(zhì)材料為前驅(qū)體制備的生物質(zhì)基炭材料具有比表面積大、孔隙豐富、來(lái)源廣且成本低的優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注[2]。同時(shí)，生物質(zhì)基炭材料也存在孔徑調(diào)控困難、官能團(tuán)復(fù)雜、活性位點(diǎn)較少等問(wèn)題，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。雜原子摻雜是生物質(zhì)基炭材料功能性改良的重要手段[3]，通過(guò)雜原子摻雜在碳原子的晶格中，利用一些外來(lái)原子(C、N、P、S等)將碳原子代替，從而使得材料的性質(zhì)發(fā)生了改變[4-6]。通過(guò)雜原子的摻雜，炭材料的電子云分布和功函數(shù)均發(fā)生變化，進(jìn)而使其性能得到改善并且擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍[7]。

摻雜的雜原子要在電負(fù)性、原子尺寸與碳原子之間存在差異，才能使碳骨架電子云重新排布，改變基質(zhì)中電荷的分布，形成新的活性位點(diǎn)，從而影響材料性能[8]。目前，炭材料中摻雜的雜原子主要包括氮[9-10]、氧[11-12]、磷[13-14]、硫[15-16]、鹵素[17-18]等，這些雜原子既可以單獨(dú)摻雜在炭材料中，也可以多種雜原子共摻雜。雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、吸附分離、催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本文主要對(duì)生物質(zhì)基炭材料的雜原子引入方法、雜原子類型進(jìn)行了概述，并介紹了雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料在超級(jí)電容器、離子電池、吸附以及催化劑載體的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)此類材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為生物質(zhì)基炭材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 生物質(zhì)基炭材料雜原子摻雜方法

1.1 原位摻雜

原位摻雜是指將內(nèi)含雜原子的生物質(zhì)前驅(qū)體材料直接炭化，從而實(shí)現(xiàn)將雜原子引入炭材料的一種技術(shù)手段[19-20]，它具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。Veltri等[21]將橙汁進(jìn)行水熱炭化，制備出氮氧共摻雜的生物質(zhì)基炭材料，其比表面積達(dá)1 725 m2/g，孔隙結(jié)構(gòu)趨于合理，氮、氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5.65%和5.38%。Wang等[22]利用高溫炭化法，以木棉纖維為前驅(qū)體制備出具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能的氮摻雜炭材料，比表面積和孔容分別達(dá)到1 125.7 m2/g和0.713 m3/g，最高比電容達(dá)283 F/g。經(jīng)充放電循環(huán)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，比電容在10 000次循環(huán)后未出現(xiàn)明顯下降，電化學(xué)性能優(yōu)良。原位摻雜雖然操作簡(jiǎn)單且可實(shí)現(xiàn)材料的整體均勻摻雜，但在引入雜原子的過(guò)程中，很難對(duì)雜原子的種類和形式進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。

1.2 擴(kuò)散摻雜

擴(kuò)散摻雜是指在高溫或高壓環(huán)境下，將炭材料與含有雜原子的氣體或液體進(jìn)行充分接觸，使雜原子擴(kuò)散到碳基質(zhì)中，制備出具有雜原子摻雜的炭材料[23-24]。根據(jù)雜原子擴(kuò)散形式不同，又可分為氛圍氣體法和浸漬滲透法。Xu等[25]以廢棄無(wú)塵紙為原料，經(jīng)過(guò)KOH活化后，經(jīng)NH3氛圍處理后得到具有3D多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜炭材料(圖1)。當(dāng)含氮量從0.6%提升到1.3%時(shí)，比表面積從1 033 m2/g增加到1 126 m2/g，主要原因是碳晶格邊緣的氮原子的兩個(gè)鍵可以與兩個(gè)碳原子連接，余下的一個(gè)鍵被氫原子占據(jù)，這阻礙碳晶格的膨脹，從而產(chǎn)生新微孔和缺陷位點(diǎn)，催化硫形成率高達(dá)496.6 g/(kg·h)，提高了催化活性。Xuan等[26]以海藻酸鈉為碳源，將其溶解在尿素水溶液中，通過(guò)高溫煅燒法制備了具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜炭材料，通過(guò)改變海藻酸鈉和尿素的比例及煅燒溫度，可實(shí)現(xiàn)制備材料中氮摻雜程度與孔隙結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)，經(jīng)900 ℃高溫?zé)峤馓幚砗蟠呋钚宰罴?，這主要得益于材料的互聯(lián)三維多孔結(jié)構(gòu)，合理的孔徑分布以及高比表面積(有利于活性位點(diǎn)的暴露)。擴(kuò)散摻雜便于調(diào)控雜原子種類及含量，可實(shí)現(xiàn)多原子共摻雜和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但制備方法易引起孔隙塌陷及變窄，需選擇合理的工藝參數(shù)。

圖1 以廢紙制備氮摻雜生物質(zhì)基炭材料的示意[25]

2 雜原子摻雜的種類

2.1 氮摻雜

氮(N)是生物質(zhì)炭材料雜原子摻雜領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的元素之一。氮摻雜不會(huì)改變炭材料的基本結(jié)構(gòu)，但可以影響材料的孔隙結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。氮原子所提供的電子可視為額外的電荷載體，可有效降低能帶間隙[27]。同時(shí)，氮原子的電負(fù)性可以引導(dǎo)感應(yīng)電流在碳骨架內(nèi)傳導(dǎo)，增強(qiáng)粒子間穩(wěn)定性，使顆粒不易結(jié)塊，從而有利于偽電容的產(chǎn)生[28]。此外，氮原子還能夠提高生物質(zhì)基炭材料的導(dǎo)電性，提升催化效率和改善抗氧化性能。

Yang等[29]以豬心肉為生物質(zhì)前驅(qū)體，在700～900 ℃下直接熱解，制備了具有催化功能的氮摻雜炭材料，氮原子摻雜可以形成有利于氧吸附的帶電缺陷位點(diǎn)，提高氧化還原反應(yīng)的催化活性，含氮量為3.03%，其中吡啶N能夠使相鄰的碳原子成為氧化還原反應(yīng)引發(fā)和吸附的活性位點(diǎn)，石墨N能夠通過(guò)提高電子轉(zhuǎn)移速率來(lái)提高炭材料的催化活性。Zhao等[30]以菱角殼為原料，三聚氰胺為氮摻雜劑，制備高比表面積(2 384 m2/g)、高氮摻雜(質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.90%)的CO2吸附炭材料，CO2吸附量達(dá)6.06 mmol/g(0 ℃)，同時(shí)具備優(yōu)異的可逆性和穩(wěn)定性(循環(huán)5 次，吸附量保持率 97%)，高動(dòng)態(tài)的CO2吸附性能主要因?yàn)榈獡诫s和微孔之間的協(xié)同作用。有研究以殼聚糖為原料制備氮摻雜炭材料，通過(guò)控制水熱炭化的時(shí)間能夠控制氮摻雜量和活性氮種類，為電荷存儲(chǔ)提供了更多的活性位點(diǎn)，作為電極表現(xiàn)出406 F/g(三電極系統(tǒng))和274 F/g(兩電極系統(tǒng))的超高比電容[31]?？梢?jiàn)，氮摻雜對(duì)生物質(zhì)基炭材料的氧化催化、氣體吸附和能源存儲(chǔ)等性能均有顯著提升。

2.2 氧摻雜

氧原子在生物質(zhì)炭材料的修飾過(guò)程中起著重要的作用，摻雜氧原子的炭材料，會(huì)在表面形成含有—OH、C—O和—COOH等含氧官能團(tuán)，既改善了生物質(zhì)炭材料表面的潤(rùn)濕性，同時(shí)含氧官能團(tuán)又可以在表面連接各種結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，滿足各種領(lǐng)域的應(yīng)用需求[32-33]。

2.3 磷摻雜

磷(P)元素在自然界中儲(chǔ)量豐富，并廣泛存在于生物體內(nèi)。磷的原子半徑較大，將P引入炭材料中會(huì)增大碳原子層間距，從而改善炭材料的親水性。同時(shí)，含磷的官能團(tuán)往往富含氧原子，因此在摻雜過(guò)程中也會(huì)引入氧原子，形成新的催化活性位點(diǎn)[36-38]。

Rey-Raap等[39]以葡萄糖為原料，以磷酸為活化劑，通過(guò)水熱法制備了磷摻雜炭材料，在800 ℃條件下，比表面積為806 m2/g，含磷量為6.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，電容保持率為90%(電流密度10 A/g，循環(huán)10 000圈)，相比在700 ℃下炭化的非摻雜材料，電化學(xué)性能大幅提升。Yang等[40]以葡萄糖、硝酸錳、次磷酸鈉混合物為原料，制備出電化學(xué)性能良好的磷摻雜炭材料(圖2)，在6 mol/L KOH電解液中，比電容為367 F/g(低電流密度0.3 A/g)和319 F/g(高電流密度20 A/g)，電容量保持率96.5%(循環(huán)10 000圈)。Xing等[41]以松果為原料，以磷酸為活化劑，制備磷摻雜炭材料，在800 ℃條件下所制備的材料(PPCP800)比電容最大，在電壓1.2 V質(zhì)量濃度1 000 mg/L的NaCl溶液中，PPCP800達(dá)到最高吸附量14.62 mg/g，具有很強(qiáng)的去離子能力，這主要?dú)w因于其較高的比表面積和石墨化程度、優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)、較高的磷含量和較低的轉(zhuǎn)移電阻。

圖2 磷摻雜生物質(zhì)基炭材料制備示意[40]

2.4 硫摻雜

硫(S)元素儲(chǔ)量豐富且硫化物結(jié)構(gòu)多樣，這為生物質(zhì)基炭材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)越條件。S原子的電負(fù)性和碳原子相似，因此當(dāng)S原子進(jìn)入炭材料后不會(huì)影響其原子的電荷分布，但由于S原子的半徑更大，所以摻雜后能在碳骨架中產(chǎn)生更多的缺陷，從而誘導(dǎo)電子自旋的重新分配[42]。Hao等[43]將銀杏葉置于硫酸溶液中進(jìn)行水熱處理，制備硫摻雜生物質(zhì)基炭材料，由于反應(yīng)劇烈，大量硫元素?fù)诫s進(jìn)入材料中，含硫量高達(dá)8.245%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，材料表現(xiàn)出出色的電化學(xué)性能，在6 mol/L KOH的電解液中，比電容為364 F/g(電流密度0.5 A/g)，電容量保持率98%(循環(huán)30 000圈)。Yaglikci等[44]以茶葉為原料，以硫代硫酸鈉五水合物作為硫摻雜劑，獲得硫摻雜生物質(zhì)基炭材料，與未摻雜的炭材料相比，比電容增加了62%(KOH電解液)和38%(H2SO4電解液)，這是因?yàn)榱蛟釉诰Ц裰谐洚?dāng)電子供體，增加了電導(dǎo)率，這證明硫摻雜工藝對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)性能有積極影響。

2.5 鹵素?fù)诫s

鹵素具有高電負(fù)性，能夠與石墨碳形成C—X共價(jià)鍵，使碳雜化從sp2雜化轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化，半離子鍵可以改善材料的界面性能，增加材料的電導(dǎo)率和離子遷移速率。而共價(jià)鍵則可以增加層狀炭材料的層間距[45]。Hoang等[46]以茄子為原料，采用先炭化，再在HI中脫氧，制備出具有碘摻雜的生物質(zhì)基炭材料(HI-RGO/CDs)，材料在2 mV/s和1 A/g下分別表現(xiàn)出432 F/g和460 F/g的高比電容，10 A/g的電流密度下循環(huán)10 000次，電容保持率為94.6%，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。HI 處理后顯著影響離子電導(dǎo)率和由氧碘官能團(tuán)產(chǎn)生的贗電容的活性位點(diǎn)、電荷轉(zhuǎn)移電阻和離子遷移，改變了 RGO/CDs復(fù)合材料的電化學(xué)性能。Wang等[47]以工業(yè)大麻芯為原料，聚四氟乙烯、二乙氨基三氟化硫、氫氟酸為氟化劑，制備出3種氟摻雜生物質(zhì)多孔炭，其中聚四氟乙烯處理的生物質(zhì)炭被含氟納米管包裹，缺陷最多、氟摻雜量最多、孔徑最優(yōu)，在200 mA/g電流密度下循環(huán)500次的平均可逆容量為369.6 mAh/g，高容量與氟原子的摻雜和大量缺陷有關(guān)，這些缺陷為K+的存儲(chǔ)提供了豐富的活性位點(diǎn)，與此同時(shí)，聚四氟乙烯處理的生物質(zhì)炭電極具有更薄的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)和豐富的電子傳輸路徑，這有利于K+在電解質(zhì)-電極界面的快速傳輸和電荷轉(zhuǎn)移。

2.6 多元素共摻雜

通過(guò)多原子共摻雜產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)可以使生物質(zhì)基炭材料的整體性能得到進(jìn)一步提高，從而在電化學(xué)、催化氧化、氣體吸附等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力[48-49]。Zhu等[50]以細(xì)菌纖維素為碳前體和模板，通過(guò)熱解和活化聚羅單寧包被的細(xì)菌纖維素酶成功制備氮硫共摻雜生物質(zhì)基炭材料，材料具有比表面積大(1 420 m2/g)和多元素共摻雜(N 3.1%，S 3.2%)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)電流密度為0.5 A/g表現(xiàn)出340 F/g的高比電容。Zhou等[51]以荸薺為基材，制備了氮磷共摻雜的分級(jí)多孔炭，材料比表面積高達(dá)2 454 m2/g，在三電極測(cè)試系統(tǒng)中，表現(xiàn)出優(yōu)異的比電容340 F/g(電流密度1 A/g)和倍率容量190 F/g(電流密度100 A/g)，并具有良好的電容保持率94.2%(電流密度10 A/g，循環(huán)10 000次)。Ou等[52]在700 ℃下對(duì)金銀花進(jìn)行熱解，制備了氮硫共摻雜的分級(jí)多孔炭(圖3)，由于這種材料的高比表面積(830 m2/g)、獨(dú)特的3D網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)以及高含氮量(1.55%)和高含硫量(0.54%)，氮硫共摻雜可以提高鋰的導(dǎo)電性和反應(yīng)性，為鋰的吸附提供更多的有效活性位點(diǎn)，增強(qiáng)鋰的存儲(chǔ)能力，除此以外，氮硫共摻雜有利于提高電導(dǎo)率和電化學(xué)反應(yīng)性，獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。其在100 mA/g電流密度下，循環(huán)100圈仍能保持1 215 mAh/g可逆容量，使其成為超級(jí)電容器的優(yōu)秀材料。雜原子共摻雜可以擴(kuò)大炭的層間距離，提高材料表面的潤(rùn)濕性和電導(dǎo)率并刺激產(chǎn)生額外的反應(yīng)，對(duì)材料的電化學(xué)性能等產(chǎn)生多種有益的影響[53-54]。

圖3 氮硫共摻雜生物質(zhì)基炭材料制備示意[52]

3 雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料的應(yīng)用

3.1 超級(jí)電容器

雜原子摻雜生物質(zhì)炭材料由于其具有高比表面積、高穩(wěn)定性以及良好的導(dǎo)電性而被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器。Zhang等[55]以松果為原料，采用一步炭化的方法制備了氮/硫/氧摻雜炭材料，通過(guò)調(diào)節(jié)炭化溫度來(lái)優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在600 ℃炭化，表現(xiàn)出高比表面積(911.29 m2/g)和大的孔體積，顯示最大的比電容為285 F/g(0.5 A/g，6 mol/L KOH)，且循環(huán)10 000次后，保留了94.4%的電容，表現(xiàn)出出色的循環(huán)穩(wěn)定性。Wen等[56]以桉樹(shù)粉末為原料制備出一種氮氧共摻雜炭材料，作為超級(jí)電容器的電極材料，其表現(xiàn)出最大比電容359 F/g，循環(huán)10 000次(10 A/g)，電容保持率為92%。高比表面積和分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)的傳輸提供低電阻通道，雜原子摻雜可以提高電極的潤(rùn)濕性，提供額外的贗電容。

雜原子摻雜生物質(zhì)基炭超級(jí)電容器參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，以淀粉制備的超級(jí)電容器比容量最好，達(dá)1 216 F/g(2 A/g，1.5 mol/L HCl)。以豬膀胱為碳源，在保持高氮含量(5.38%)的同時(shí)，比電容達(dá)到322.5 F/g(0.5 A/g，6 mol/L KOH)。以冬瓜為原料，能夠獲得高氧含量(17.9%)，比表面積可達(dá)到2 919 m2/g。以龍眼殼為碳源，經(jīng)KOH活化后制備的超級(jí)電容器，比表面積最大(3 029 m2/g)，比電容達(dá)到359.2 F/g(0.5 A/g，6 mol/L KOH)。利用豆渣為原料，經(jīng)過(guò)磷酸活化后，能獲得最高的磷摻雜(14.2%)，但比電容只有93.5 F/g(0.1 A/g，2 mol/L KOH)。

3.2 離子電池

雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料，合理的孔結(jié)構(gòu)和高含量雜原子摻雜可以有效地緩解鋰離子反復(fù)嵌入/脫出時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[69]，維持生物質(zhì)基炭材料的孔道結(jié)構(gòu)完整，從而延長(zhǎng)離子電池的壽命[70]。Schneidermann等[71]以鋸屑為碳源，尿素/三聚氰胺為氮源制備了氮摻雜炭材料。與三聚氰胺相比，尿素的比例越高，制備的材料比表面積越大，最高比表面積達(dá)到3 000 m2/g，孔體積達(dá)到2 cm3/g。將其組裝成電池后進(jìn)行測(cè)試，其首次放電比容量高達(dá)1 300 mAh/g，經(jīng)過(guò)50個(gè)循環(huán)后，能保持初始容量的70%。良好的電化學(xué)性能歸因于高比表面積，其容量保持能力增強(qiáng)歸功于高的氮含量以及氮摻雜增強(qiáng)了陰極潤(rùn)濕性。Yan等[72]選擇豆?jié){作為原料，通過(guò)使用不同的可溶性鹽(NaCl/Na2CO3、ZnCl2/Mg5(OH)2(CO3)4)制備出N/O共摻雜的層狀多孔炭材料(HPHC-a，HPHC-b)，HPHC-a與HPHC-b在電流密度為0.1 A/g時(shí)，循環(huán)300次后可逆容量分別為710和610 mAh/g。因?yàn)榭扇苄喳}，促進(jìn)了氮氧共摻雜的多孔炭的石墨化程度，還起到模板作用，使其產(chǎn)生分層多孔結(jié)構(gòu)。由于這種炭材料的高比表面積以及表面功能化的氮氧基團(tuán)的協(xié)同作用，炭材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，這為制備低成本離子電池電極材料提供了一條新途徑，并促進(jìn)雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料的開(kāi)發(fā)。

表1 雜原子摻雜生物質(zhì)基炭超級(jí)電容器參數(shù)的比較

3.3 吸附劑

雜原子摻雜炭材料具有高的比表面積、穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)以及合理的孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，為小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸提供了良好的環(huán)境，而且經(jīng)過(guò)表面修飾的炭材料還能夠選擇性地吸附和分離特定的小分子，和其他的吸附材料相比，該材料在吸附分離領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。Chen等[73]以絲瓜為原料，利用水熱法制備了一種氮硫共摻雜炭材料(圖4)，該炭材料對(duì)鉻具有高效吸附，主要因?yàn)榫哂懈叩谋缺砻娣e(1 524.45 m2/g)和大的孔體積(1.21 cm3/g)，有利于暴露更多含氮、硫的官能團(tuán)，提高對(duì)鉻的吸附。Liu等[74]采用荷葉為原料，高溫炭化得到了氧氮硫共摻雜炭材料，其比表面積高達(dá)3 601 m2/g，對(duì)羅丹明B的吸附容量高達(dá)9 444.39 mg/g，吸附性能優(yōu)越一方面是由于氧氮硫共摻雜炭材料具有高比表面積，提供了大量的吸附位點(diǎn)；另一方面，雜原子摻雜通過(guò)氫鍵以及酸堿相互作用增強(qiáng)吸附劑和被吸附質(zhì)之間的靜電相互作用，以增強(qiáng)對(duì)羅丹明B的吸附能力。

3.4 催化劑載體

生物質(zhì)炭材料具有大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[75]，經(jīng)過(guò)雜原子摻雜后，可以提供更多的活性位點(diǎn)和更靈活的反應(yīng)路線，被廣泛應(yīng)用于新型催化劑載體的研究中。Jessica等[76]以麻渣為原料，通過(guò)磷酸活化制備了氮摻雜活性炭(N-HTC)，然后通過(guò)濕法浸漬將鈀負(fù)載到活性炭，制備出氮摻雜炭負(fù)載鈀催化劑(Pd/N-HTC)。將其用于甲酸脫氫反應(yīng)，具有良好的活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性(連續(xù)循環(huán)12次，Pd/N-HTC的初始活性保持不變，)并且具有很高的轉(zhuǎn)換頻率(TOF)值(8 365 h-1)。Yang等[77]以柚子皮為原料，在氨氣氛圍下制備出氮摻雜生物炭，經(jīng)高溫將鉑納米粒子負(fù)載到生物炭上制備出氮摻雜生物炭鉑催化劑。在5-羥甲基糠醛催化氧化成2,5-呋喃二甲酸的反應(yīng)中，5-羥甲基糠醛能夠完全轉(zhuǎn)化， 2,5-呋喃二甲酸產(chǎn)率為83.9%(110 ℃，24 h)。

圖4 在pH值為2.0的溶液中Cr(VI)在氮硫共摻雜生物質(zhì)基炭材料的吸附機(jī)理[73]

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)雜原子引入生物質(zhì)基炭材料的方法、摻雜種類以及在超級(jí)電容器、離子電池、吸附劑和催化劑載體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討。生物質(zhì)基炭材料來(lái)源廣泛，雜原子摻雜不僅可以增加表面潤(rùn)濕性，還可以誘導(dǎo)更多的活性反應(yīng)位點(diǎn)，提高生物質(zhì)基炭材料比表面積的利用率，因此使炭材料具有更高的反應(yīng)活性。但目前對(duì)雜原子摻雜機(jī)制尚不明確，摻雜方式較為單一，雜原子種類和含量難以精準(zhǔn)調(diào)控，這些都成為了雜原子摻雜生物質(zhì)基炭材料的發(fā)展屏障。因此探索高效穩(wěn)定、綠色環(huán)保的雜原子引入方法，精準(zhǔn)調(diào)控雜原子與炭材料比例，對(duì)多元雜原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)掘雜原子摻雜的增效機(jī)制以及潛在的應(yīng)用，是未來(lái)深入研究和探索的方向。