生物碳的制备、改性及其在印刷领域的应用

生物碳 (Biochar) 是自然资源或生物质 (例如植物、动物、昆虫等) 经过碳化后从中获得的碳副产品，是一种新型的具有成本效益且环境友好的可降解生物材料。与石墨和碳纳米管等传统碳材料相比，生物碳在生产能力、资源储量、成本支出和环境保护方面也具有很大的优势。近年来，研究人员一直在探索新的生物质前体，改进和开发新的制备方法，并寻找更多高价值和有意义的应用。生物碳在多个领域得到了广泛的研究和利用，近年来在印刷领域也显示出了良好的工业应用前景和潜在的应用价值。来自华南理工大学陈广学院士及其团队在 Materials 期刊发表了综述 (Preparation, Modification, and Application of Biochar in the Printing Field: A Review)，总结了生物碳的典型制备和改性方法 (图1)，并综述了其在印刷领域的应用，以期为今后的工作提供参考。

图1. 生物碳的来源及制备过程。

生物质的碳化是一个元素变化过程，其中生物质资源的大部分O、H和其他元素消失，C元素含量显著增加。本文将生物碳的制备方式分为热解碳化、水热碳化、激光诱导碳化和微波辐照碳化四大类。生物质资源由复杂的部分组成，因此，选择合适的生物质前体对于生产具有所需结构和形态的生物碳至关重要。除了前体的选择外，碳化方法的选择将直接影响生物碳的结构、表面积、孔隙率、化学成分、官能团和石墨化等化学和物理性质。因此，本文综述了几种典型的碳化方法及其优缺点，为以后的研究提供参考 (表1)。

表1. 不同碳化方式的优缺点

原始生物碳的性质不足以满足科学研究和实际生产的需要，限制了生物碳应用的发展。因此，为满足这些情况，科研人员采用一些额外的方法来改善生物碳的孔径分布、热性能和比表面积等性能。一般来说，生物碳的大多数改性方法都围绕着物理和化学方法。物理修饰一般不涉及化学试剂，简单经济，是生物碳修饰的常用手段 (表2)。其优点还在于以经济高效和安全的方式改善生物碳的孔结构和表面官能团。化学改性通常涉及向原料中添加化学物质以改变生物碳的表面化学性质 (表3)。

表2. 不同原料和物理改性方法

表3. 不同原料和化学改性方法

独特的化学性质结构、低成本、巨大的储量和环境友好性使生物碳在许多领域具有广泛的应用潜力。印刷技术在中国有着非常悠久的历史，近年来也取得了非凡的技术创新，改变和便利了我们的生活。然而，随着可持续发展意识的增强，研究人员不断尝试将印刷的原材料、制造工艺和副产品推向更环保的方向。近年来，一些研究人员将生物碳应用于印刷领域，并显示出良好的应用潜力，但仍缺乏系统的总结。因此，本文综述了生物碳在印刷领域的应用 (图2、3)。

图2. 不同生物碳作为印刷材料的应用情况。

图3. 生物碳在3D打印中的应用。

生物碳是一种独特的可再生资源，具有成本低、储量巨大、环境友好等优点，而且通过物理或化学改性，也极易被赋予新的特性。虽然生物碳的应用和制备存在一些缺点，但其良好的经济优势、巨大的应用潜力、丰富的储量和可持续性不容忽视。如果能够合理地应用它来替代一些石油材料，那将是解决能源和环境问题的一大有效策略。总的来说，随着环保意识的增强和全球减排的迫切需求，生物碳在印刷领域将得到更广泛的应用，包括但不限于油墨制造、印刷、染色废水处理、制造3D打印材料等。随着科学技术的不断发展，生物碳的生产技术和质量将得到提高，应用范围和实用性将更加广泛。虽然到目前为止，生物碳在印刷领域的应用大多在实验室，在大规模应用中仍然存在一些局限性和技术缺陷。但我们相信通过科研人员的不断努力，生物碳在印刷领域的应用前景将会更加广阔。

原文出自 Materials 期刊

Li, X.; Zeng, J.; Zuo, S.; Lin, S.; Chen, G. Preparation, Modification, and Application of Biochar in the Printing Field: A Review. Materials 2023, 16, 5081. https://doi.org/10.3390/ma16145081

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。