眾所周知，生物質作為一種可再生資源，含有豐富的碳，為生物質基碳材料的開發和應用提供了豐富的原料。利用可持續、廉價的生物材料作為原料制備高性能碳電極，可以減少對不可再生資源的依賴，為儲能領域帶來巨大效益。一些生物質基碳電極材料具有高ssa、大孔隙率、雜原子摻雜、多種納米結構和好的物理化學穩定性，這使得其在作為電極材料時能產生高電容、良好的倍率性能和循環穩定性(圖1)?；谏鲜鰡栴}，我校材料科學與工程學院博士研究生張韓方（第一作者）在“資源綜合利用與環境能源新材料”創新團隊張以河教授（通訊作者）和孫黎副教授（通訊作者）的共同指導下，綜述了近年來生物質碳材料的合成方法和機理，比較了不同合成方法對所得碳材料微觀結構和理化性能的影響。此外，還討論了相同或不同生物質碳材料在超級電容器(包括水電解質、離子液體電解質、有機電解質和固體電解質)中相同或不同電解質體系下電化學性能的差異。通過對這些材料性能的對比分析提出了目前生物質基碳材料的一些亟待解決的問題如下：

1.生物質組成和結構的多樣性對準確有效地控制碳材料的微觀結構提出了巨大的挑戰，極大地影響了所得碳材料的性能穩定性。尋找高碳低灰生物質是利用生物質碳作為電極材料的第一步。如果生物質中的無機物含量過高，雖然這些無機物的后處理會產生額外的孔隙，但無機物的去除可能涉及強酸、強堿和有毒物質的使用，從而提出了更高的要求。對設備的要求也增加了生產成本。其次，總結分析常見生物質和有機廢棄物的宏觀和微觀結構及組成，建立相關記錄檔案，對生物基碳材料的開發具有重要意義。

2.根據要合成的碳材料的微觀形態選擇相應的生物質碳源對于最大限度地利用生物質尤為重要。例如，具有管狀結構的生物質更容易制成碳納米管，而沒有纖維結構的生物質(葡萄糖)更容易制成碳納米球。

3.有必要探討生物質類型與碳化方法之間的關系。單一的方法很難完全滿足生物質基電極材料的性能要求，需要根據生物質材料的組成采取不同的碳化和活化方法。值得注意的是，自模板法為生物質碳材料的合成提供了新的思路。

4.生物質基碳材料中不同的表面官能團對其電化學性能的影響尚不清楚。生物質中的雜原子是復雜的。多種雜原子相互作用，給生物基碳材料的電化學性能研究帶來了困難。采用單一純物質作為碳源和摻雜劑控制雜原子含量可以簡化研究過程，對分析生物質基碳材料表面官能團的電化學反應機理具有重要意義。如何進一步提高生物質基碳材料的電化學性能將是今后研究的重點。

5.生物質制備的碳材料多為無定形炭，微觀形貌也不規則。因此，生物質基碳材料的商業化量產很難保證批次材料之間電化學性能的一致性。此外，產品質量難以保證，限制了生物質基碳材料在高性能動力電池領域的應用。因此，如何優化制備方法，制備微觀形貌規則的低成本生物質基碳材料，如碳納米管、碳納米球、石墨烯等，也是一個非常具有挑戰性的問題。

圖1 不同微觀結構的超級電容器用生物質基碳材料

上述研究成果發表于材料領域國際權威期刊《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]

全文鏈接：DOI: 10.1039/D1TA00790D