生物质活性炭在储能及光热转换领域的应用研究进展

生物质活性炭在储能及光热转换领域的应用研究进展

生物质活性炭(BAC)的制备包括碳化和活化过程。碳化包括热解碳化、水热碳化、微波辅助碳化等；活化包括物理、化学、物理化学和微波辅助活化等。按照结构划分BAC可分为零维炭球和点、一维炭纤维、二维炭纳米片、三维炭气凝胶和分级多孔炭。BAC的孔隙结构决定了其应用场景，影响孔隙结构的主要因素有原料种类、活化剂、浸渍比、活化剂用量、活化温度和时间等。BAC具有完整的孔隙结构，在有机相变储能材料封装和海水淡化等方面得到广泛应用。笔者综述了近年来BAC在储能及光热转换领域的应用研究进展并展望了BAC未来的发展前景，旨在为生物质材料绿色低碳化发展提供参考。

一、BAC在储能领域的应用

BABAC能吸附相变材料，降低热阻，强化传热，提升热导率，减少泄漏。冯利利等介绍了膨胀石墨、碳纳米管、氧化石墨烯(GO)、BAC等对相变材料定形能力、热性能和相变行为的影响。梁西妹等综述了BAC基复合相变材料的热性能研究进展，提出采用多孔材料吸附、微胶囊化、添加导热剂等方法提高BAC基复合相变材料的热导率，BAC能够很好地封装相变材料。

 

1.用于封装聚乙二醇

为了实现低成本封装，Huang等首次使用人工培养的硅藻(Di)、纯化和酸洗硅藻(Pd)以及碳化硅藻（Sd）封装聚乙二醇(PEG)-4000。结果表明PEG/Sd相变材料潜热最高，PEG/Di相变材料光热转换效率最高、热稳定性最好，PEG/Pd热稳定性最差。为了分析碳化对封装效果和稳定性的影响，Tan等、李绍伟等分别将马铃薯和柚子皮直接碳化，然后用2种BAC封装PEG-4000，最大吸附量分别为50%和95.8%，柚子皮制备的BAC不但吸附量高，而且光热转化效率达到87.5%，循环100次后，质量损失率仅为2.2%。

 

2. 用于封装石蜡

石蜡(PW)具有潜热高和价格低廉的优点，常被用于制备相变储能材料。Jens等在真空条件下使用山毛榉、白杨、橡树和云杉木块封装PW，循环28次后，云杉和白杨泄漏最低，分别为4%和10%。陈子禾等将松木水热碳化，并用NaOH和Na₂SO₃混合活化，得到松木碳骨架(记作C-1200)，再用壳聚糖改性，得到壳聚糖改性松木碳骨架(记作Ch/C-1200）。分别用C-1200和Ch/C-1200封装PW，吸热潜热分别降至73.7J/g和77J/g；纯PW热导率为0.20W/(m?K），封装PW后C-1200和Ch/C-1200热导率分别提升到0.52W/(m?K）和0.67 W/(m?K），说明改性有助于提升热导率。

3.用于封装脂肪酸

禹兴海等将玉米秸秆碳化，再用NaOH活化，得到生物炭KBC，用其封装硬脂酸(SA)。结果表明，SA质量分数为71.2%时，复合相变材料储热性能最佳；循环100次后，融化潜热降低13.06%，光热和电热转换效率分别为78.30%和70.10%。Mohammad等采用同样方法处理稻壳，以稻壳炭为吸附材料，石墨烯纳米片(GNPs)为导热强化剂，棕榈酸(PA)为相变主材，制备PA/BAC/GNPs复合相变材料。结果表明：PA最大吸附量为86.4%，GNPs质量分数为6%时，PA/BAC/GNPs热导率达到0.55W/(m?K)，热导率提升96.78%；循环1000次后，融化潜热仅下降0.10%。

二、BAC在光热转换领域的应用进展

1.藻类和木材基蒸发器的制备及应用

Zhang等先用甲醇和氯甲烷混合液对微藻粉脱脂，然后物理碳化，再用KOH活化，处理后吸光率达到94.10%，用其组装的蒸发器蒸发速率达到1.17kg/(m²·h)。Karen等将木屑活性炭加入到乙醇溶液中，以此为吸热涂料，棉毛巾为亲水基底，聚苯乙烯为保温材料，组装的蒸发器蒸发速率达到1.15kg/(m²·h)。

2.植物叶基蒸发器的制备及应用

落叶处理方式包括焚烧、填埋、堆肥和自然腐烂，会对环境产生污染，将落叶制备成BAC具有高利用价值。Fang等利用水草酸钙石作为木质素和纤维素粘合剂，将美国红枫、加拿大紫荆和红栎枯叶等制备成多功能材料AMM。结果表明：光照强度为5kW/m²时，用AMM组装的蒸发器蒸发速率为4.80kg/(m²·h)；光照强度为1 kW/m²时，用AMM合成的光催化制氢材料产氢速率达12.40μmol/(h·cm²)，是原始叶片的4.2倍，如果过滤紫外光，产氢速率仅为8.40μmol/(h·cm²)；用AMM作为光催化材料，在模拟光源和可见光下降解四环素，2 h内四环素降解率分别达到96.70%和92.60%；将AMM和聚乙烯埋入10 cm深土壤中，AMM在40d后变脆断裂，2个月后完全消失。

3. 农业废弃物基蒸发器的制备及应用

Sun等用NaOH溶液浸泡玉米芯，通过低温热解制备了蒸发器。结果表明：光照强度为1 kW/m²时，蒸发速率为4.16 kg/(m²·h)；蒸发渤海海水时，蒸发速率达到3.74 kg/(m²·h)，比自由蒸发速率提高13倍，循环26d后，蒸发速率未下降。Feng等使用柠檬酸处理玉米秸秆得到改良柠檬酸玉米秸秆(CSCA)，并用H₂SO₄碳化形成碳黑层(CSMC)，用其组装了蒸发器。结果表明：玉米秸秆具有蜂窝状结构，处理后的CSCA和CSMC孔隙更丰富，光照强度为1kW/m²条件下，纯水、玉米秸秆和CSMC蒸发速率分别为0.22kg/(m²·h)、0.37kg/(m²·h)和1.42kg/(m²·h)，转换效率分别为13.95%、23.04%和89.30 %，碳化后蒸发速率和转换效率得到较大提升。

通过聚电解质水凝胶包覆天然丝瓜络多孔炭，制备水凝胶蒸发器，可以实现长期高效海水淡化。Wang等将丝瓜烘干，用蜡烛将其表面碳化，得到碳化丝瓜，表面涂覆聚丙烯酸钠水凝胶后碳化，得到蒸发器，其蒸发速率为1.83kg/(m²·h)，蒸发效率为94.54%。Guo等通过原位生长法将金属-有机框架材料MOF-801复合到去皮丝瓜炭(CL)中，用其组装了蒸发器(记作MOF-801@CL）。光照强度为1 kW/m²时，蒸发器蒸发速率为1.42kg/(m²·h)，约为CL的1.2倍，转化效率为88.90%。使用蒸发器进行海水淡化，产生的淡水水完全满足饮用水标准。

4. 其他生物质基蒸发器的制备及应用

Wu等将车前草茎碳化活化，再用乙酸和次氯酸钠混合液处理，得到车前草纤维素(PC)，将PC与生物质空心碳管(HCTs)耦合制备气凝胶PC@HCTs。用PC@HCTs组装的蒸发器，在光照强度1 kW/m²条件下，界面温度达到46.7 ℃，蒸发速率为1.86kg/(m²·h)，该蒸发器还能净化重金属离子溶液、油水乳液和有机染料废水。

三、结语与展望

BAC因原材料丰富、环境友好、物理化学性质可调等优点，被认为是未来资源化利用的主要方向之一，尤其是在“双碳”背景下，固碳、减碳和资源高值化利用变得更加重要。在低温相变储能领域，应探索制备高孔隙率BAC，提升负载量；在BAC中负载高热导率金属材料，提升复合相变材料的热导率；在BAC中负载高吸收率材料或者磁性材料，使相变材料功能化。在光热转换领域，将BAC蒸发器表面改造成锯齿状或者其他凹凸状，可以增加比表面积，延长光线路径，强化光的吸收；在BAC中添加高吸收率材料，提升蒸发器的水蒸发速率和光热转换效率。

 

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来源：《化工新型材料》2025年第12期

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