基于废弃木质素的富氮碳纳米纤维作为多功能材料，用于高效二氧化碳转化和能量存储

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Waste Lignin-Based N/O-Rich Carbon Nanofibers as Bifunctional Materials for Efficient CO 2 Conversion and Energy Storage

生物质衍生功能性碳材料通过溶剂极性调控策略制备，实现高效CO2转化和储能性能，揭示溶剂极性匹配对木质素改性的关键作用。

　　

魏辉|王欣|胡昭琳|赵明宇|冯家鑫|陈文|肖晓宇|郑创奇|浦雷

井冈山大学生命科学学院，江西省红土地区功能生物学与污染控制重点实验室，吉安343009

摘要

开发生物质衍生的功能性碳是实现可再生和清洁能源的有效途径，然而传统的木质素改性方法常常受到高效改性、确保纤维可纺性和提高杂原子掺杂效率的挑战。本文报道了一种简便的溶剂极性辅助策略，用于制备聚合物改性的废弃木质素衍生碳纳米纤维（PML-x-CFs），以实现高效的CO₂转化和能量存储。研究发现，溶剂极性在调节木质素的改性效率、纤维可纺性和杂原子掺杂方面起着关键作用。所得的PML-x-CFs具有1.98-10.67 m²/g的比表面积和可调的石墨结构，I_D/I_G比值介于1.00到1.09之间。优化的PML-DMSO-CFs表现出优异的双功能性能，在CO₂环加成反应中实现了接近定量的转化（产率98%，选择性99%），并在0 °C时显示出出色的CO₂/N₂选择性（380.81）和CO₂捕获能力（40.97 cm³/g）。此外，作为超级电容器中的自支撑电极，PML-DMSO-CFs具有高比电容（343 F/g）和超过5000次循环的显著循环稳定性。这项工作表明，反应介质与改性单元之间的溶剂极性匹配是控制木质素性质的关键，为基于木质素的碳纳米纤维的高效CO₂转化和可持续能量存储提供了有价值的策略。

章节摘录

引言

化石燃料长期以来一直支撑着工业发展，但其大量的二氧化碳（CO₂）排放是全球变暖和气候不稳定的主要驱动因素。[1], [2], [3] 为此，绿色和可持续策略提倡减少碳排放和提高能源效率。[4], [5] 因此，发展废物回收和能量存储技术对于满足日益增长的能源和环境保护需求至关重要。

材料

废弃桉树硫酸盐木质素（EL）由东胜新材料有限公司（上海，中国）提供，它是从Eucalyptus grandis中提取的副产品。二甲基亚砜（DMSO，99%）、1,4-二氧环己烷（DIOX，99%）、四氢呋喃（THF，99.9%）、无水硫酸钠（Na₂SO₄，99.0%）和氢氧化钾（KOH，99.9%）购自凯米奥化学试剂有限公司（天津，中国）。三乙胺（TEA，99%）、甲基丙烯酰氯（95%）、环氧苯基醚（99%）、1,2-环氧己烷（96%）

溶剂对改性木质素结构的影响

使用FT-IR研究了不同溶剂中酯化得到的PML-x和EL-Ctrl样品的结构演变，结果如图1a所示。可以发现，PML-x样品在3422 cm^–1处的宽-OH伸缩振动带逐渐减弱，这意味着EL-Ctrl中的酚类或脂肪族羟基通过与甲基丙烯酰氯的酯化反应发生了变化。[34] 结果证实了这一点

结论

总结来说，我们开发了一种简便的溶剂极性辅助策略，将废弃木质素转化为富含N/O的双功能碳纳米纤维，用于碳捕获和能源存储。在木质素酯化和共聚过程中调节溶剂极性会影响分子的反应性和可纺性，从而控制所得木质素衍生碳纳米纤维的结构演变和杂原子掺杂的程度。综合表征研究揭示了...

CRediT作者贡献声明

陈文：研究工作。肖晓宇：资源获取、资金筹集。郑创奇：撰写初稿、方法学设计、研究工作。浦雷：资源获取、方法学设计、概念构思。魏辉：撰写初稿、指导、项目管理、研究工作、资金筹集。王欣：研究工作、数据分析。胡昭琳：数据可视化。赵明宇：数据可视化、研究工作。冯家鑫：研究工作、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢江西省自然科学基金（20242BAB20111）、吉安市自然科学基金（20244-018658）以及江西省红土地区功能生物学与污染控制重点实验室（2023SSY02051）提供的财务支持。