在全球积极应对气候变化、推动绿色低碳转型的背景下，如何实现碳资源的循环利用与高效固定已成为产业变革的核心议题。生物质炭——这种由农业废弃物、林业剩余物等生物质原料在限氧条件下热解转化而成的富碳固体材料，不仅承载着“废弃物”到“资源”的循环经济理念，而且还具有高度的可设计性，能够通过精准调控制备工艺，“定制”成具有高比表面积、丰富孔隙结构（从微孔到宏孔）及多样化表面官能团（如羧基、羟基、羰基等）的功能材料，使其在环境修复、高效吸附、绿色催化、能源储存、复合材料增强等众多领域中表现出不俗的前景。以下，我们一起看看生物质炭的关键理化特性如何直接影响其在不同场景下的功能表现，并深入解析其主流制备方法。
（来源：网络）
一、生物质炭的关键理化特性塑造多元应用
1、孔隙结构与比表面积：
生物质炭最显著的特征之一是其发达的孔隙结构与高比表面积。在热解过程中，生物质中挥发性组分逸出，可以形成大量大小不同的孔道，孔道大小的不同影响了其应用。比如：
·微孔（<2 nm）为主的生物质炭材料主要负责提供巨大的比表面积，是物理吸的主要场所，可以用于VOCs、甲醛、CO₂等有害气体的吸附、在水处理中用于吸附小分子污染物以及重金属离子等，同时也可用于存储甲烷、氢气等能源气体；
·介孔（2-50 nm）为主的生物质炭材料有利于物质的传输与扩散，适用于较大分子（如染料、有机污染物）的吸附或作为催化剂载体，同时在新能源领域中作为负极材料，该孔径范围内的孔道占比达到50%以上，并以微孔和大孔作为辅助，可以较好地改善电解液对电极材料的浸润性，从而加快离子传输速率，提升电池的存储能力和结构稳定性。
·宏孔（>50 nm）为主的生物质炭材料炭孔道尺寸大且贯通性强，具有优异的传质性能，适合快速流体传输，适合需要快速流体传输或高效过滤固体颗粒、液滴等场景，在气体除尘、污水处理等领域应用前景广泛。此外，大孔炭的高孔隙率和机械强度使其也可作为支撑骨架，与其他功能材料复合，增强复合材料的整体性能，如在一些复合电极材料、吸附材料中起到支撑和增强传质的作用。
2、表面化学性质：
生物质炭表面富含的含氧官能团（-COOH, -OH, C=O等）和可能的含氮、含硫官能团，构成了其表面化学活性的核心。通过制备工艺和前处理/后处理对这些官能团的种类、数量与分布进行调控，能够在特定领域更好地发挥生物质炭的性能。比如：
·对吸附选择性的影响：羧基、羟基等官能团可通过离子交换、表面络合等方式可以特异性吸附重金属阳离子，在土壤修复领域可以减少重金属离子对植物和生态系统的危害；同时，生物质炭通常呈碱性，其表面的碱性物质（如碳酸盐、碱基阳离子）可与土壤中的酸性物质（如H⁺、Al³⁺）发生反应，中和土壤酸性，提高土壤pH值。
· 对催化性能的影响：表面官能团本身可作为催化活性位点，也能通过改变载体表面性质来调节负载金属颗粒的电子状态，影响催化活性与选择性。
3、元素组成：
生物质炭的碳骨架主要由芳香碳结构构成，并含有H、O、N、S等杂原子以及原料固有的灰分（K, Ca, Si, Mg等矿物质）。一般而言，生物质炭芳香化程度越高，结构更稳定，抗降解能力增强，此外也可赋予生物质炭良好的导电性，这在锂/钠离子电池、超级电容器等纯利于以及电化学过程中尤为关键；H、O、N、S等则主要以官能团形式存在，影响生物质炭的化学活性和表面性质。而灰分含量较高，可能影响孔隙结构和性能；
4、机械强度与稳定性：
生物质炭的机械强度、化学稳定性和热稳定性取决于其碳骨架的致密程度与结晶度，在聚合物或水泥基复合材料中，高强度的生物质炭可以作为增强相，提高材料的力学性能（如硬度、抗拉强度），而在催化、吸附等其他应用中，足够的机械强度也可防止材料在受压或水力冲刷下过度粉化，确保其长期结构完整性与功能持久性。
二、制备方法对生物质炭特性的精准调控
生物质炭的制备，本质上是将杂乱无章的生物质大分子（纤维素、半纤维素、木质素等）通过热化学转化，重排为高度有序的芳香碳结构的过程。通过采用不同的制备技术，调控反应气氛、温度与时间等核心参数，可以深刻影响着产物特性。
1、高温热裂解法
热解法是当前最常用的生物炭制备方法，是在完全或部分限氧条件下，将生物质加热到一定温度（通常400~500℃）使其分解。根据加热速率、停留时间和操作压力等参数，可将热裂解技术分为快速和慢速热裂解技术。
·快速热解：升温速率极高，气相停留时间短，旨在最大化液体产物（生物油）产出。而生物质炭产率较低（约12–25%），但在瞬间高温的作用下，往往能形成更丰富的孔隙结构和较高的比表面积，且芳香化程度高，适用于吸附和催化领域。
·慢速热解：该方法升温速率慢，固体停留时间长，主要以生产高产率的生物质炭为目标，所得炭通常比表面积中等，孔隙发育一般，但保留了较多的灰分和部分官能团，非常适合土壤改良与固碳。
2、水热炭化法
水热碳化法是在特定的温度（150-350℃）和压力条件下，将生物质（尤其是高湿度生物质）在水介质中转化为水热炭（或称水热焦）的过程。相比干法工艺，该方法最大的特点在于无需对生物质预干燥处理，能耗相对较低，特别适合用于成分复杂、混合的城市有机固体废弃物的资源化利用，同时，该法制备的水热炭通常具有丰富的微观形貌和含氧官能团，其表面化学性质可通过反应温度、时间和pH值进行精细调节，适用于吸附材料与电池电极领域的应用。
不过，该方法通常需要12小时甚至更长时间才能完成反应，生产效率相对较低，不利于大规模工业化生产，同时需要耐压、耐高温的反应釜等设备，且反应过程中需严格控制温度和压力，设备投资和维护成本较高，而在产物品质上，水热炭的芳香化程度通常要低于高温热解炭。
生物废弃物水热转化过程（来源：中欧农业营养管理）
3、活化法
活化法是通过物理或化学手段刻蚀炭化产物，以调控孔隙结构与表面化学性质的后处理工艺。
·物理活化法：是利用氧化性气体（如水蒸气、二氧化碳、空气等）与生物质炭在高温下发生氧化反应，选择性地气化和消除炭材料中不稳定的结构区域，从而蚀刻出孔隙，增加比表面积和孔隙率。其优势为无需化学试 剂、，副产物主要是气态物质，后续处理简单且无二次污染，但相比呼哈学活化法，由于活化温度较高，能耗较大。
水蒸气及二氧化碳活化机理（来源：石墨邦）
·化学活化法：是使用特定的化学试剂（如氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌等）与生物质炭在一定温度下发生化学反应，通过刻蚀、插层、脱水等作用改变炭的结构，通常在较低温度和较短时间下即可制 备出具有高孔隙率和大比表面积的生物质炭材料。
4、微波热解法
该方法利用微波辐射可对物料进行均匀、非接触式的 体相加热，能够在更短的处理时间内实现快速升温，实现均匀热解，具有加热速度快、能耗低、热解温度可控，优势，但设备成本较高，难以大规模工业化应用，此外，由于生物质自身微波吸收能力有限，需额外添加SiC、 活性炭、石墨等微波吸收剂，吸收剂在反应过程中可 能因积碳或烧结等原因失活。
5、气化法
气化一般是在更高温度（>700°C）和限氧条件下，将生物质转化为可燃气体（合成气）为主的过程。生物质炭是此过程的副产物，产率较低。由于经历极端高温，气化炭高度芳香化、导电性好，通常在能源领域中作为导电材料。
小结
将秸秆、木屑等农林废弃物或储量丰富的竹粉等低成本原料变成在环境、能源、材料等多领域大放异彩的“宝藏”材料，生物质炭的高效应用高度依赖孔隙结构、表面化学、元素组成及稳定性等关键特性，而这需要在实际生产过程中实现对材料的精确调控。未来，随着对反应机理的深入洞察和过程控制技术的进步，特别是与人工智能、过程强化技术的结合，生物质炭将在全球绿色低碳发展进程中扮演愈发重要的角色，实现更多重的生态与经济效益。
参考文献：
王丹,李彬彬,宋劼,等.生物质炭材料制备与研究进展[J].当代化工研究.
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