文|简说硬核

编辑|简说硬核

前言

能源危机和环境污染问题成为全球范围内的重大挑战，传统的化石能源不仅资源有限，而且燃烧产生的废气和废水对环境造成严重的污染，寻找可再生、环境友好的能源材料成为了当今科学界的热点研究领域之一。

生物质作为一种广泛存在的可再生资源，具有丰富的来源、低成本和可再生特点，因而备受关注，生物质基碳材料作为生物质转化的产物，具有多孔性、高表面积和可调控的结构特征，被广泛应用于能源转换和储存领域。

通过对生物质基碳材料的制备和电催化性能研究，我们可以深入了解其结构与性能之间的关系，并为其在能源领域的应用提供理论和实验基础，相信随着技术的不断进步和创新，生物质基碳材料将成为一种具有重要应用潜力的新型能源材料，为解决能源和环境问题做出贡献。

生物质基碳材料的来源和组成

生物质的来源

生物质是指植物、动物和微生物的有机物质，包括木材、农作物秸秆、生活垃圾等，生物质资源广泛分布于地球各个地区，并且具有可再生的特点，生物质作为一种可持续的能源来源，具有巨大的潜力。

生物质基碳材料的组成

生物质基碳材料的组成主要由碳、氢、氧等元素组成，其中碳是其主要元素，根据生物质的来源和组成不同，生物质基碳材料的组成也会有所差异。

纤维素：纤维素是生物质的主要组分，由大量的葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成，纤维素具有高度结晶性和稳定性，对于提高材料的力学性能和热稳定性具有重要作用。

半纤维素：半纤维素主要包括木质素和木聚糖，具有较高的含氧量和低结晶性，它们在生物质基碳材料的制备过程中往往是主要的碳源，对材料的孔隙结构和化学性质有较大影响。

果胶和醛基物质：生物质中的果胶和醛基物质是一类富含羧基和醛基的多糖和多醇化合物，它们对生物质基碳材料的表面性质和催化性能具有重要影响。

蛋白质和脂肪类物质：生物质中含有少量的蛋白质和脂肪类物质，它们对生物质基碳材料的化学性质和催化性能具有一定的影响。

生物质基碳材料的制备方法

生物质基碳材料的制备方法多种多样，选择合适的制备方法可以调控材料的结构和性能，以满足特定应用需求。

炭化法

炭化法是最常用的生物质基碳材料制备方法之一，该方法通过在高温下将生物质转化为碳材料，实现去除杂质和提高碳纯度的目的，炭化可以在惰性气氛下进行，如氮气或氩气环境中，以防止碳材料的氧化。

热解法

热解法是通过在缺氧或惰性气氛下对生物质进行高温热解，将其转化为碳材料，该方法可以在固相或气相条件下进行，在固相热解中，生物质样品被加热至高温，通过热解反应将有机物质分解为气体和固体产物，其中固体产物即为生物质基碳材料。

水热法

水热法是一种在高温高压水环境下制备生物质基碳材料的方法，通过在水热条件下将生物质进行热解和氧化反应，可实现原料的结构调控和形貌控制。

该方法常用于制备具有特定孔结构和高比表面积的生物质基碳材料，水热法制备生物质基碳材料具有操作简单、无需其他添加剂和催化剂的优点。

化学气相沉积法

化学气相沉积法是通过在气相条件下，将生物质原料的气体产物沉积在基底上制备碳材料，该方法利用化学反应在高温下生成气相碳源，然后使其在基底表面沉积形成生物质基碳材料，化学气相沉积法可用于制备薄膜、纤维和复杂结构的生物质基碳材料，具有较好的可控性和复现性。

生物质基碳材料在氧还原反应中的电催化性能

氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）是一种重要的电催化反应，广泛应用于燃料电池、金属空气电池和其他能源转换设备中，生物质基碳材料由于其特殊的结构和化学组成，在ORR中展现出良好的催化性能。

电催化机理

在ORR过程中，氧气分子在催化剂表面发生一系列的电化学反应，包括吸附、电子转移和解离等步骤，生物质基碳材料的优异电催化性能归因于其独特的结构和表面化学特性。

生物质基碳材料具有丰富的孔结构和高比表面积，提供了大量的活性位点和吸附位点，促进ORR反应的进行，孔结构可以提供足够的表面积用于氧气的吸附和催化反应的进行，从而提高催化效率。

生物质基碳材料表面富含丰富的含氧官能团，如羟基、羧基和醛基等，这些官能团可提供活性位点和提高氧气吸附的亲和力，从而促进ORR反应的发生，这些官能团还能够参与电子转移过程，调节反应中的电子传递速率。

性能评价方法

评价生物质基碳材料在ORR中的电催化性能通常采用电化学测试方法，常用的性能评价参数包括峰值电流密度（J_p），半波电势（E_1/2），转移数（n）和电子转移数（n_e）等。

峰值电流密度是衡量催化剂活性的重要参数，较高的峰值电流密度表明更高的ORR反应速率，半波电势是指在ORR过程中，峰电流密度达到峰值电流密度一半时对应的电位值，可以用来比较不同催化剂的活性。

转移数和电子转移数反映了催化剂参与ORR反应的程度，转移数是指每个反应步骤中所涉及的电子数，电子转移数是指电催化反应中电子传递的程度，通常与氧气还原到水的反应步骤相关。

制备方法对电催化性能的影响

生物质基碳材料的制备方法对其电催化性能具有显著影响，不同的制备方法会导致材料的孔隙结构、比表面积、官能团含量和分布等方面的差异。

炭化法制备的生物质基碳材料通常具有高度发达的孔结构和大比表面积，有利于氧气的吸附和催化反应的进行，而水热法制备的生物质基碳材料具有较为均匀的孔洞分布和较低的比表面积，适用于需要较高扩散速率的反应。

生物质基碳材料在氢氧化物还原反应中的电催化性能

氢氧化物还原反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）是一种重要的电催化反应，广泛应用于电解水、燃料电池和电化学合成等领域，生物质基碳材料也在HER中展现出一定的催化性能。

电催化机理 HER是一种电子和质子共同参与的反应过程，其主要步骤包括质子吸附、电子转移和氢气解离，生物质基碳材料的表面官能团可以提供质子吸附位点，促进质子的吸附和转移，羟基和羧基等含氧官能团具有一定的质子吸附能力，可提高HER反应的活性。

生物质基碳材料的导电性能对电子转移过程至关重要，高导电性能可以提供良好的电子传导通路，加速反应的进行，导电性能还与材料的结构、孔隙性质和电荷传递速率等因素密切相关。

生物质基碳材料的孔结构和比表面积也对HER的催化性能产生影响，具有较大比表面积和丰富孔结构的材料可以提供更多的活性位点和吸附位点，增加反应物质的接触和扩散，从而提高HER反应速率。

性能评价方法

评价生物质基碳材料在HER中的电催化性能常采用电化学测试方法，常用的评价参数包括峰值电流密度（J_p），半波电势（E_1/2）和转移数（n）等。

峰值电流密度是衡量催化剂活性的重要参数，较高的峰值电流密度表明更高的HER反应速率，半波电势是指在HER过程中，峰电流密度达到峰值电流密度一半时对应的电位值，可以用来比较不同催化剂的活性。

转移数反映了催化剂参与HER反应的程度，HER反应中涉及电子和质子的转移，转移数表示每个反应步骤中所涉及的电子和质子的数目。

可以通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等表征技术对生物质基碳材料的形貌、晶体结构和化学组成进行分析。

制备方法对电催化性能的影响

生物质基碳材料的制备方法对其在HER中的电催化性能产生影响，制备方法的选择会导致材料的结构、孔隙性质和官能团含量等方面的差异。

炭化法制备的生物质基碳材料通常具有高度发达的孔结构和大比表面积，有利于氢气的生成和扩散，而水热法制备的生物质基碳材料具有较为均匀的孔洞分布和较低的比表面积，适用于需要较高扩散速率的反应。

在设计和选择生物质基碳材料的制备方法时，需要综合考虑孔隙结构、比表面积、官能团含量和分布等因素，以实现高效的HER催化性能。

生物质基碳材料在其他电催化反应中的应用及展望

除了在氧还原反应（ORR）和氢氧化物还原反应（HER）中的应用，生物质基碳材料还在其他电催化反应中展现出潜力和应用前景。

甲醇氧化反应（Methanol Oxidation Reaction, MOR） 甲醇氧化反应是一种重要的电催化反应，广泛应用于直接甲醇燃料电池等领域，生物质基碳材料由于其高比表面积、良好的导电性和丰富的官能团，具有潜力成为优良的甲醇氧化催化剂。

二氧化碳还原反应（Carbon Dioxide Reduction Reaction, CO2RR） 二氧化碳还原反应是一种重要的电催化反应，可将二氧化碳转化为高附加值的化学品和燃料，生物质基碳材料由于其丰富的官能团和调控的孔结构，具有在CO2RR中催化转化二氧化碳的潜力。

电容器和储能设备

生物质基碳材料具有优异的导电性能、大比表面积和孔隙结构，可用于制备电容器和储能设备，生物质基碳材料作为电极材料可以提供更多的活性表面，提高电容器的能量密度和循环稳定性。

其他电催化反应

生物质基碳材料还可应用于其他电催化反应，如氧气还原反应（ORR）、氢气还原反应（HRR）、氧气演化反应（OER）等，通过调控材料的结构和表面化学特性，生物质基碳材料能够实现对这些反应的催化活性和选择性的调控。

作者观点

生物质基碳材料作为一种可再生资源的转化产物，在电催化领域具有重要的应用潜力，通过选择合适的制备方法和优化材料结构，可以调控其孔隙结构、比表面积、官能团含量和分布，从而提高其电催化性能。

生物质基碳材料在氧还原反应、氢氧化物还原反应以及其他电催化反应中展现出良好的催化活性和稳定性，生物质基碳材料还具有可持续性和环境友好性的优势，有助于推动可持续能源和环境治理的发展。

尽管已取得了一些进展，生物质基碳材料在电催化领域仍面临一些挑战，未来的研究应致力于深入理解生物质基碳材料的结构与性能之间的关系，探索新的制备方法和改进现有方法，优化孔隙结构和表面官能团的设计，以及与其他功能材料的复合，以进一步提高其电催化性能和扩展应用领域。

生物质基碳材料在电催化性能研究中具有重要意义，其制备方法和性能调控对于实现高性能碳材料的制备和应用具有指导作用，我们对生物质基碳材料在能源转换和储能等领域的应用充满信心，并期待未来的研究能够进一步推动其在电催化领域的发展和应用。

参考文献

[1] 原子层沉积法制备过渡金属氧化物电催化剂及其在氧还原和析氧反应中的性能研究[D]. 孙翔.深圳大学,2019

[2] 燃料电池用质子交换膜和高效电催化剂的制备与研究[D]. 张晓伟.辽宁科技大学,2019

[3] 核壳结构ZnO@ZIF衍生氧还原电催化剂的制备及性能研究[D]. 郭琳丽.江苏理工学院,2019

[4] 二维MOFs衍生的碳材料的制备及其催化性能的研究[D]. 霍美玲.陕西师范大学,2019

[5] 钯基电催化剂的制备及其电化学性能研究[D]. 李娟.天津工业大学,2019