竹質廢棄物轉變多孔炭材料

2025年初，一項發表在《Biomass and Bioenergy》上的研究——通過精準調控活化溫度，研究人員將廢棄竹纖維轉化為比表面積高達2768平方米/克的多孔碳材料，相當于將一個標準足球場壓縮進一克重的材料中。

突破性制備工藝，廢物蛻變為高值材料

竹纖維轉化為高性能多孔碳的旅程始于一場“清潔革命”。在傳統生物質碳材料生產中，原料需要經歷復雜的清洗和化學處理流程，不僅耗費大量水資源，還會產生二次污染。而*新研發的竹基多孔碳制備工藝卻另辟蹊徑：僅需清洗、干燥、研磨及低溫碳化四步預處理，廢棄竹纖維即可進入核心轉化階段。

工藝核心在于“溫度窗口”的精準控制。研究人員發現，當KOH活化溫度穩定在700°C時，竹纖維內部發生奇妙變化。植物細胞堅固的骨架在碳化過程中得以保留，而活化過程則在骨架內構建起相互連通的微孔-介孔體系。

在精確的溫度控制下，活化劑分子像“精準的雕刻刀”一般，在竹纖維內部蝕刻出層次分明的孔道結構。太低的溫度無法充分打開孔道，而過高溫度則會導致孔壁坍塌——700°C正是那個“金發女孩溫度”（Goldilocks temperature），恰如其分。

通過掃描電鏡觀察，*終產物呈現出三維網狀多孔結構，這些孔道相互貫通，形成了一張巨大的“分子高速公路網”。正是這種*的結構，賦予了竹基多孔碳驚人的比表面積和優異的導電性能。

結構優勢與性能表現，超級電容器的理想電極

竹基多孔碳材料的“超能力”源于其*的結構特征。當科學家們將這種材料置于電子顯微鏡下觀察時，展現出一個令人驚嘆的微觀世界：相互連通的微孔與介孔交織成復雜的立體網絡，宛如一座精心設計的“分子迷宮”。

這種多級孔結構帶來了雙重優勢：微孔（<2納米）提供巨大的比表面積，為電荷存儲提供海量“停車位”；介孔（2-50納米）則作為離子高速通道，確保電荷能夠快速進出。研究數據顯示，*優工藝制備的ACK-700樣品，其比表面積高達2768 m²/g，遠超常規活性炭材料。

在三電極體系測試中，0.5 A/g電流密度下比電容達到492 F/g，電荷轉移電阻僅0.81 Ω——這意味著電子在材料內部流動幾乎“暢通無阻”。這種低內阻特性正是高功率輸出的關鍵。其組裝成的對稱超級電容器在功率密度為215 W/kg時，能量密度高達9.82 Wh/kg。

表：不同竹基多孔碳材料性能對比

*注：竹筷基碳數據來自不同測試體系，單位為mAh/g

循環穩定性是考核電極材料實用性的關鍵指標。ACK-700在經歷2000次充放電循環后，電容保持率高達89.44%，衰減程度微乎其微。另一組研究中，經過低溫空氣氧化的竹基多孔碳(PAC-600-350)在5000次循環后仍保持86.59%的電容。

綠色活化技術創新，環保與性能的平衡藝術

傳統多孔碳制備面臨著一個兩難困境：要獲得高性能，往往需要使用強腐蝕性活化劑如KOH，但其帶來的環境污染不容忽視；而環保型活化劑又難以實現理想的孔結構調控。

解決方法之一：華中師范大學研究團隊選擇食品級K?CO?作為溫和活化劑。這一創新既避免了強腐蝕性化學品的使用，又實現了優異的孔結構調控。其采用梯度設計，系統改變竹粉與K?CO?的比例（原料/試劑比1：0-1：4），在800°C下進行一步碳化活化。

結果令人驚喜：*佳樣品BPAC-3的比表面積達1913.85 m²/g，微孔體積占比超80%。這種以<1納米微孔為主的結構對CO?分子展現出顯著的“限域效應”，使其在0°C/1 bar條件下的CO?吸附量達6.08 mmol/g，較未活化樣品提升2倍。

雖只是實驗數據，但呈現出來的*依然讓人驚喜。

其次是吸附選擇性。BPAC-3的CO?/N?選擇性達21.5，5次循環吸附-脫附后性能保持92%。這一突破為生物質碳材料的綠色制備提供了新范式，同時解決了環保與性能難以兼得的困局。

另一項創新來自南京林業大學團隊，他們開發出“活化氧化梯級熱處理技術”。該技術先用KHCO?活化竹屑，再進行低溫空氣氧化。結果發現，增加350℃低溫空氣氧化工藝后，多孔碳的比表面積從154.361 m²/g提升至264.235 m²/g。

氧化工藝的妙處在于材料表面的化學修飾。隨著氧化溫度由200℃升高到350℃，材料表面含氧官能團（-C=O、-C-OH等）顯著增多，潤濕性增強，缺陷程度提高。這些變化使電解液離子更容易進入孔道內部，從而大幅提升電容性能。

循環經濟價值，綠色產業鏈的雙贏之道

竹基多孔碳材料的興起，正在重構竹產業的生態鏈條。傳統竹材加工中，竹節、梢頭、刨花和竹屑等剩余物占比高達30%-50%，大多被棄置或直接燃燒。而現在，這些“廢料”搖身一變成為高附加值碳材料的*原料。

經濟賬令人振奮：據產業化項目數據統計，利用竹加工剩余物生產多孔碳，每噸原料價值提升超過100倍——從幾十元的廢竹料變為價值數萬元的高性能材料。

環境效益同樣可觀。以年產萬噸級的多孔碳項目計算，每年可消納竹廢料約3萬噸，減少露天焚燒帶來的PM2.5排放，同時固定二氧化碳約6萬噸。這種“變廢為寶”的模式完美契合碳中和國家戰略。

結語

就目前而言，這種具有前景性的多孔碳不僅停留在實驗室中，現實工業已經有了典型示例。竹材從山林走向城市，從廢棄物蛻變為綠色科技材料，勾勒出一條清晰的產業升級路徑。隨著這些竹基多孔碳材料進入超級電容器、CO?捕集裝置和鋰硫電池，也許它們正在悄然改變能源與環境的未來圖景。