竹质废弃物转变多孔炭材料

2025年初，一项发表在《Biomass and Bioenergy》上的研究——通过精准调控活化温度，研究人员将废弃竹纤维转化为比表面积高达2768平方米/克的多孔碳材料，相当于将一个标准足球场压缩进一克重的材料中。

突破性制备工艺，废物蜕变为高值材料

竹纤维转化为高性能多孔碳的旅程始于一场“清洁革命”。在传统生物质碳材料生产中，原料需要经历复杂的清洗和化学处理流程，不仅耗费大量水资源，还会产生二次污染。而*新研发的竹基多孔碳制备工艺却另辟蹊径：仅需清洗、干燥、研磨及低温碳化四步预处理，废弃竹纤维即可进入核心转化阶段。

工艺核心在于“温度窗口”的精准控制。研究人员发现，当KOH活化温度稳定在700°C时，竹纤维内部发生奇妙变化。植物细胞坚固的骨架在碳化过程中得以保留，而活化过程则在骨架内构建起相互连通的微孔-介孔体系。

在精确的温度控制下，活化剂分子像“精准的雕刻刀”一般，在竹纤维内部蚀刻出层次分明的孔道结构。太低的温度无法充分打开孔道，而过高温度则会导致孔壁坍塌——700°C正是那个“金发女孩温度”（Goldilocks temperature），恰如其分。

通过扫描电镜观察，*终产物呈现出三维网状多孔结构，这些孔道相互贯通，形成了一张巨大的“分子高速公路网”。正是这种*的结构，赋予了竹基多孔碳惊人的比表面积和优异的导电性能。

结构优势与性能表现，超级电容器的理想电极

竹基多孔碳材料的“超能力”源于其*的结构特征。当科学家们将这种材料置于电子显微镜下观察时，展现出一个令人惊叹的微观世界：相互连通的微孔与介孔交织成复杂的立体网络，宛如一座精心设计的“分子迷宫”。

这种多级孔结构带来了双重优势：微孔（<2纳米）提供巨大的比表面积，为电荷存储提供海量“停车位”；介孔（2-50纳米）则作为离子高速通道，确保电荷能够快速进出。研究数据显示，*优工艺制备的ACK-700样品，其比表面积高达2768 m²/g，远超常规活性炭材料。

在三电极体系测试中，0.5 A/g电流密度下比电容达到492 F/g，电荷转移电阻仅0.81 Ω——这意味着电子在材料内部流动几乎“畅通无阻”。这种低内阻特性正是高功率输出的关键。其组装成的对称超级电容器在功率密度为215 W/kg时，能量密度高达9.82 Wh/kg。

表：不同竹基多孔碳材料性能对比

*注：竹筷基碳数据来自不同测试体系，单位为mAh/g

循环稳定性是考核电极材料实用性的关键指标。ACK-700在经历2000次充放电循环后，电容保持率高达89.44%，衰减程度微乎其微。另一组研究中，经过低温空气氧化的竹基多孔碳(PAC-600-350)在5000次循环后仍保持86.59%的电容。

绿色活化技术创新，环保与性能的平衡艺术

传统多孔碳制备面临着一个两难困境：要获得高性能，往往需要使用强腐蚀性活化剂如KOH，但其带来的环境污染不容忽视；而环保型活化剂又难以实现理想的孔结构调控。

解决方法之一：华中师范大学研究团队选择食品级K₂CO₃作为温和活化剂。这一创新既避免了强腐蚀性化学品的使用，又实现了优异的孔结构调控。其采用梯度设计，系统改变竹粉与K₂CO₃的比例（原料/试剂比1：0-1：4），在800°C下进行一步碳化活化。

结果令人惊喜：*佳样品BPAC-3的比表面积达1913.85 m²/g，微孔体积占比超80%。这种以<1纳米微孔为主的结构对CO₂分子展现出显著的“限域效应”，使其在0°C/1 bar条件下的CO₂吸附量达6.08 mmol/g，较未活化样品提升2倍。

虽只是实验数据，但呈现出来的*依然让人惊喜。

其次是吸附选择性。BPAC-3的CO₂/N₂选择性达21.5，5次循环吸附-脱附后性能保持92%。这一突破为生物质碳材料的绿色制备提供了新范式，同时解决了环保与性能难以兼得的困局。

另一项创新来自南京林业大学团队，他们开发出“活化氧化梯级热处理技术”。该技术先用KHCO₃活化竹屑，再进行低温空气氧化。结果发现，增加350℃低温空气氧化工艺后，多孔碳的比表面积从154.361 m²/g提升至264.235 m²/g。

氧化工艺的妙处在于材料表面的化学修饰。随着氧化温度由200℃升高到350℃，材料表面含氧官能团（-C=O、-C-OH等）显著增多，润湿性增强，缺陷程度提高。这些变化使电解液离子更容易进入孔道内部，从而大幅提升电容性能。

循环经济价值，绿色产业链的双赢之道

竹基多孔碳材料的兴起，正在重构竹产业的生态链条。传统竹材加工中，竹节、梢头、刨花和竹屑等剩余物占比高达30%-50%，大多被弃置或直接燃烧。而现在，这些“废料”摇身一变成为高附加值碳材料的*原料。

经济账令人振奋：据产业化项目数据统计，利用竹加工剩余物生产多孔碳，每吨原料价值提升超过100倍——从几十元的废竹料变为价值数万元的高性能材料。

环境效益同样可观。以年产万吨级的多孔碳项目计算，每年可消纳竹废料约3万吨，减少露天焚烧带来的PM2.5排放，同时固定二氧化碳约6万吨。这种“变废为宝”的模式完美契合碳中和国家战略。

结语

就目前而言，这种具有前景性的多孔碳不仅停留在实验室中，现实工业已经有了典型示例。竹材从山林走向城市，从废弃物蜕变为绿色科技材料，勾勒出一条清晰的产业升级路径。随着这些竹基多孔碳材料进入超级电容器、CO₂捕集装置和锂硫电池，也许它们正在悄然改变能源与环境的未来图景。