咖啡渣的“逆襲”

“咖啡渣千萬不要扔”，在網上隨處可見咖啡渣的回收、利用攻略，例如養植物、除異味等。但是，你知道嗎，咖啡渣居然還能做成水杯、衣架以及生物燃料！

將最終產物與導電劑、黏合劑以一定比例混合，均勻地涂覆在銅箔上，干燥后就得到了電極。電極與隔膜（將電解槽內的陰極和陽極分開的可滲透的多孔膜）、電解液，可以在惰性氣體（氬氣）中組裝成電池?？Х仍瓿闪怂淖兩碇?，成為紐扣電池的一部分啦。

烘烤、磨碎咖啡豆后，進行加熱或蒸汽處理，提取后剩余的殘渣就是咖啡渣?？Х仍缓嗵?，特別是含有大約50%的纖維素和半纖維素。其他相對豐富的化合物是木質素和蛋白質，約占20%。同時，咖啡渣也含有大量的油以及少量化合物，例如灰分、酚類化合物、礦物質、咖啡因等。

若將咖啡渣直接丟棄或者作為肥料會污染環境。這是因為，咖啡渣中殘留的復雜有機物，例如咖啡因、單寧（一種多元酚類化合物）等對土壤有害。

還有些行業嘗試將咖啡渣加工后用于燃燒和發電。但是，與木屑相比，咖啡渣燃燒時會產生顆粒物和有害氣體，因此它無法作為固體燃料直接使用。

濃硝酸使碳層之間發生擴展（供圖 / 朱繼銀? 制圖/ 周游）

要如何解決這些問題，實現咖啡渣變廢為寶呢？

咖啡渣變身紐扣電池原料！

其實，咖啡渣的潛在應用非常廣泛，可以提取糖和油來產生生物燃料；分離酚類和抗氧化劑用作添加劑；還可以與其他成分物質結合，開發新的功能材料（在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊性能，或者在其作用下表現出特殊性能的材料，如磁性材料、電子材料及催化材料等）。例如，以咖啡渣作為原料制備多孔碳材料，可以作為碳負極材料用于鋰離子電池，從而提高材料的電化學性能（化學能和電能相互轉化）。具體過程如右上圖所示。

咖啡渣“工廠”里的一系列操作步驟，包含哪些化學原理呢？

在碳化過程中，咖啡渣通過裂解反應（較大分子有機物在高溫或催化條件下，分子鏈斷裂成較小分子物質的過程）會產生焦油及揮發性物質。這些產物脫離原材料后，剩余的碳原子會結構重排，形成石墨的片層結構。

這種結構有較多孔隙，但焦油或雜原子（相對于產物非必需的原子）等堵塞了大部分孔隙，因此并沒有形成豐富的孔道結構。用氫氧化鉀溶液處理碳化產物時，氫氧化鉀溶液就像洗滌劑，可以溶解一些被吸附的焦油。

除此之外，氫氧化鉀溶液會與一些碳原子發生反應，使碳材料產生新的孔隙結構、或者原有的孔隙結構會被開發，再使用除去陰、陽離子雜質的純凈水洗滌，洗凈氫氧化鉀等其他可溶性有機物后，就可以得到具有豐富孔道結構、較大比表面積（單位質量多孔固體的總表面積，包括內表面積和外表面積）的多孔碳材料了。

另外，用濃硝酸對樣品進行處理可以使碳層之間發生擴展，從而在碳壁上形成微孔結構。這些孔隙為鋰離子提供了大量的存儲位置，便于離子的嵌入或脫出，這樣就縮短了電子傳導和離子擴散的距離。

石墨結構示意圖

同時，大量孔隙的存在增大了碳材料的比表面積，這就使其表面活性位點增多，從而提高了材料的導電率。

除了用來制取碳材料，咖啡渣還可以用于制造生物柴油以及環保材料。同時，咖啡渣也走進了我們的日常生活中，有許多售賣咖啡飲品的商店可以免費領取咖啡渣，由大家對咖啡渣進行創造性利用。你有什么好點子讓咖啡渣“活”起來嗎？

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）