《Journal of Energy Storage》：Green synthesis of high-iodine-adsorbing porous biomass-derived carbon for shuttle-free aqueous zinc-iodine batteries
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灵芝菌丝体废料经KOH活化制备出高比表面积（3284.4 m2/g）多孔生物炭GMFW-7，在液相和气相碘吸附中均表现出优异性能，液相碘吸附容量达1570.1 mg/g且循环稳定性良好（88.5% after 10 cycles），气相吸附2 h达饱和容量2816.2 mg/g，吸附机制以物理吸附为主，并成功应用于锌-碘电池提升储能性能。
李胜龙|周凯明|李新通|李金娣|曹珊|王洋
山东科技大学（山东省科学院）轻工学院，济南，250353，中国
摘要
有效管理和利用核事故中产生的碘对于科学技术的可持续发展和材料的清洁应用至关重要。本研究提出了一种简单高效的方法来合成一种新型的高孔隙率生物质衍生多孔碳材料（GMFW-7）。该材料使用来自食品和健康行业的灵芝菌丝纤维废弃物（GMFW）作为高质量的生物质碳源。这种材料的比表面积为3284.4 m2/g，总孔体积为2.0571 cm3/g，在液态和气态环境中均表现出显著的碘捕获潜力。实验结果表明，在液相条件下，GMFW-7对I?的最大吸附容量为1570.1 mg/g，并且在10次循环后仍保持88.5%的吸附效率。其吸附行为符合Freundlich吸附等温模型（R2 = 0.989）和伪一级动力学模型（R2 = 0.985），表明主要吸附机制为物理吸附。在碘蒸气吸附实验中，GMFW-7表现出优异的性能，在短短2小时内达到了2816.2 mg/g的饱和吸附容量，进一步验证了其良好的物理吸附稳定性。此外，采用这种生物炭材料的水基锌-碘电池通过利用其多孔结构实现了快速的充放电性能和出色的循环稳定性。因此，从真菌菌丝纤维合成具有高比表面积、层次化孔结构和优异碘吸附能力的生物炭，不仅促进了新型生物质碳资源的利用，还为清洁能源应用提供了经济可行且环境可持续的解决方案。
引言
碘在多种医疗应用中发挥着关键作用，包括甲状腺功能诊断、脑血流成像、心肌成像、肾功能评估、肾上腺成像以及多种脑受体的可视化[1]、[2]。然而，在核事故中，对长寿命放射性碘同位素（如12?I和131I）的不当管理可能导致严重的环境污染[3]。在现有的策略中，吸附是一种经济、高效、多功能且环境可持续的捕获放射性碘的方法。多孔固体材料因其高比表面积、开放的结构框架和快速的吸附动力学而越来越受到重视[4]。尽管多孔有机笼（POCs）[5]、共轭微孔聚合物（CMPs）[6]、金属有机框架（MOFs）[7]和共价有机框架（COFs）[8]表现出良好的性能，但它们通常涉及复杂且耗时的合成过程。相比之下，生物炭材料凭借其可调的孔结构、可再生性、广泛的可用性和低成本，成为修复放射性碘物种的非常有前景的候选材料[9]。
传统的生物炭材料主要是通过热解植物废弃物（如椰壳、秸秆和大豆残渣）制成的。然而，制备具有高比表面积的生物炭仍然是一个挑战。钱等人利用灵芝残渣作为原料，并采用KOH活化方法合成了比表面积高达3425.5 m2/g的微孔碳材料[10]。这一显著提升主要归功于真菌菌丝纤维独特的层状网络结构[11]。菌丝纤维由包括几丁质、葡聚糖和蛋白质在内的生物聚合物复合而成。它们的微观结构主要由生成菌丝、骨架菌丝和连接菌丝交织而成。这些菌丝纤维的交织排列形成了一个复杂的多层网络，有助于活化剂的充分渗透[12]。这一结构优势促进了热解过程中高度多孔结构的形成，从而显著增加了所得生物炭的比表面积[13]。
通过优化活化参数以提高比表面积并控制孔结构，可以进一步提高生物炭的吸附性能[14]。此外，可以通过化学或物理改性选择性地调节生物炭中的官能团，以改善其对放射性碘的选择性和亲和力。来自食品和健康行业灵芝菌丝纤维的固体废弃物具有纤维网络结构，具有显著的机械强度和韧性[15]。通过热解获得的生物炭含有更丰富的含氮和含氧官能团。这些官能团增强了生物炭表面的极性，使其更易于与极性分子（如I?）形成氢键，同时促进了π–π相互作用和非极性键合。因此，生物炭对I?的吸附能力显著提高[16]。这一策略不仅解决了固体废弃物处理的挑战，还为去除放射性碘提供了一种经济可行且环境可持续的方法。
另一方面，碘捕获吸附剂在能源存储领域也显示出相当大的应用潜力。在锌-碘电池中，通过物理吸附或化学作用有效固定I?可以缓解由于碘本身导电性低、多碘化物（如I??和I??）的穿梭效应以及锌阳极处界面反应不佳导致的严重容量衰减和自放电问题[17]。由于其适中的导电性、高比表面积、低成本和结构多样性，多孔生物炭材料被广泛用作锌-碘电池中的碘载体[18]。将I?固定在基质中不仅可以抑制碘的迁移，还可以提高其热稳定性[19]。为了实现高碘负载量，低成本的生物炭材料在这一领域显示出巨大潜力[20]。例如，季等人合成了用于锌-碘电池的生物炭，所得电池在100 mA/g的电流密度下表现出127 mAh/g的比容量[21]。这突显了这类材料在可再生能源存储和电动汽车技术中的广泛应用前景[22]、[23]。这些发现进一步表明，来自农业和工业废弃物的生物炭既具有优异的碘吸附性能，又具有环境可持续性。
尽管先前的研究已经证明了基于真菌菌丝纤维的生物炭在污染物去除方面的潜力，但其在提高锌-碘电池中碘吸附性能方面的应用却相对较少受到关注。因此，本研究旨在系统地探讨制备高碘吸附能力生物炭的方法和工艺条件。详细分析了所得生物炭的结构特征，并评估了其对碘吸附性能的影响。通过优化活化参数以提高生物炭的碘吸附能力，本研究旨在为改善锌-碘电池的循环性能提供科学依据。预计这项研究不仅将为碘的高效利用提供新的策略，还将扩展生物炭在清洁能源领域的应用。
化学物质和试剂
GMFW由天津美克生物科技有限公司提供。氢氧化钾、无水乙醇、葡萄糖醛酸、牛血清白蛋白、30%过氧化氢、苯酚、葡萄糖和环己烷购自新华药业试剂有限公司。浓盐酸、浓硝酸和浓硫酸购自烟台远东精细化工有限公司。碘元素和间羟基苯购自上海麦克莱恩生物化学公司。
GMFW的结构组成和热分解特性
作为一种天然生物质材料，GMFW主要由随机缠结的真菌菌丝纤维组成，形成了高度发达的多层多孔网络结构（图1（A-D））。这种独特的结构有助于KOH的有效渗透，这对于制备高吸附性能的多孔碳材料至关重要[24]。成分分析（图1（F）显示，真菌丝状纤维主要由多糖组成。
结论
总结来说，本研究以GMFW为原料，KOH为活化剂制备了生物炭材料，并将其应用于吸附和能源领域。结果表明，当GMFW与KOH的质量比为1:4且活化温度为800°C时，合成了比表面积为3284.4 m2/g、总孔体积为2.0571 cm3/g的中孔生物炭。该材料在两种环境中均表现出高效的I?捕获性能。
CRediT作者贡献声明
李胜龙：撰写——原始草稿、方法学、数据分析、概念化。周凯明：撰写——原始草稿、数据分析。李新通：撰写——原始草稿、数据分析。李金娣：数据分析。曹珊：撰写——审稿与编辑、可视化、概念化。王洋：撰写——审稿与编辑、方法学、概念化。
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
本研究得到了中国山东省自然科学基金（ZR2021QB135）的资助。
