GEE专刊 | 能源储存与转化 生物基材料的绿色前沿

在全球能源结构转型与“双碳”目标的驱动下，能源储存与转化技术正迎来前所未有的发展机遇。传统的石油基材料在能源器件中扮演着重要角色，但其资源不可再生、环境负担重等短板日益凸显。与此生物基材料凭借可再生、可降解、结构多样和低成本等优势，正在成为能源储存与转化领域的一支生力军，为构建绿色、可持续的能源体系提供了新的可能。\n\n《绿色能源与环境（Green Energy & Environment，GEE）》期刊长期关注能源储存与转化中的前沿材料与技术创新。本期专刊聚焦“生物基材料”，系统梳理了其在超级电容器、电池、燃料电池、太阳能电池以及电催化等方向的最新研究进展，展示了这一交叉领域的蓬勃活力。\n\n### 一、生物基材料为何重要？\n\n生物基材料是指以生物质、微生物或生物合成途径为原料制备的材料，包括纤维素、木质素、甲壳素、蛋白质、淀粉、植物油以及各类生物衍生碳材料等。这些材料来源广泛，可由农林废弃物、藻类、工业副产品等获得，具备天然的多孔结构、丰富的官能团和可调控的化学组成。更重要的是，它们能在生命周期内实现碳中和循环，契合绿色化学与可持续发展的核心诉求。\n\n在能源储存与转化场景中，生物基材料既可充当碳前驱体构建导电骨架，也可直接作为电极、电解质、隔膜、催化剂或催化剂载体、粘结剂等关键组件。例如，木质素和纤维素经碳化后得到的分级多孔碳，不仅比表面积大、导电性好，还自带杂原子掺杂（如氮、硫、磷），能显著提升电化学performance；甲壳素衍生的氮掺杂碳在氧还原反应中展现出接近商业Pt/C的催化活性，成为燃料电池阴极的有力替代。\n\n### 二、能源储存：从超级电容器到新一代电池\n\n在超级电容器领域，生物基多孔碳是制备高比能、高功率电极的理想候选者。研究者通过对生物质前驱体的选择（如椰壳、稻草、秸秆、海藻等）和热解/活化工艺的调控，实现了孔隙结构与表面化学的精准设计，从而优化离子传输与电荷存储。相比于传统活性炭，这类材料在成本与可持续性上具有天然优势。\n\n在电池方向，生物基材料同样多点开花。以纤维素、木质素、壳聚糖为基底的功能化隔膜，不仅能提升电解液浸润性和热稳定性，还可通过引入极性基团抑制多硫化物穿梭，利好锂硫电池的循环寿命；生物基粘结剂如海藻酸钠、环糊精等，则有助于维持硅基、锡基负极在充放电过程中的结构完整性。钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池等新兴体系中，生物基衍生硬碳也被视为最有希望的负极材料之一。\n\n关注更前沿的固态电池与柔性储能器件，生物质大分子链条所提供的可降解聚合物电解质和柔韧基底，正在推动设备走向轻量化、可穿戴化和环境友好化。\n\n### 三、能源转化：催化与光电的绿色机遇\n\n能源转化环节的核心在于高效、低成本的催化剂和光/电活性材料。生物基材料在此扮演着多重角色。一方面，生物质衍生碳材料可通过杂原子掺杂、金属单原子锚定等策略构建高活性位点，广泛应用于氧还原（ORR）、析氧（OER）、析氢（HER）以及二氧化碳还原（CO₂RR）等反应。甲壳素、壳聚糖、蛋白质甚至细菌纤维素都已被证实是优秀的氮/磷/硫自掺杂碳源。\n\n另一方面，卟啉、叶绿素等天然生物分子及其衍生物，拥有与金属配合物相似的光吸收和电子转移特性，可用于光电化学分解水、太阳能燃料合成等领域。将酶或微生物与电极材料耦合形成的生物电催化系统，也为实现高效能量转化提供了仿生新路径。\n\n值得一提的是，由生物质衍生的氧化还原介质（如醌类、黄素类化合物）可用于液流电池和电化学储能装置，显著提升其容量保持与倍率性能。这些工作打破了“生物基材料仅用于低端储能应用”的认知，逐步向高端、精细化转化方向发展。\n\n### 四、挑战与展望\n\n尽管生物基材料已在能源领域取得诸多突破，但其大规模应用仍面临多重挑战，例如：批次间性质不稳定、含氧官能团偏高导致导电性不足、热解过程中副产物难以控制、与现有器件工艺兼容性待优化等。从原料收集、预处理、材料制备，到全生命周期的技术经济与环境评估，仍需建立统一标准体系。未来研究应聚焦于以下几个方向：\n\n1. 精准功能化：发展原子/分子尺度修饰策略，精准调控生物基材料的电子结构、孔道和表面化学，提高活性位点密度和本征导电性。 \n2. 过程绿色化：使用水相、低温、低能耗的合成路线，减少有机溶剂和强酸强碱的依赖，真正实现从源头到末端的全链条绿色。 \n3. 跨体系集成：推动生物基材料同时在储存与转化双侧实现功能耦合，发展一体化能源系统（如光充储联合、“光-电-氢”闭合回路）。 \n4. 数学建模与机器学习：高通量筛选预解组分与性能映射关系，加速先进生物基材料的定向设计。 \n5. 产业协同：依托农业与造纸工业丰富剩余物，推进中试与工程放大，建立可持续的生物精炼模式。\n\n### 五、专刊布局与创新价值回顾\n\n本期GEE专刊共收录了13篇与生物基材料相关的研究论文与综述，涵盖不同研究方向和尺度：如生物质基多孔碳理性设计调控超级电容储能、 lignin-derived hard carbon as anodes固态电池视角；Fe/N/C single-atom catalysts for oxygen reduction from biomass-derived precursors综述等。通过这些论文集可以发现多种设计思想\[如模板辅助、活化自掺杂等]交汇激烈；原位谱学和理论计算相结合的机制解切实有助于深入活性位点与材料电子结构与离子传输的核心科学——绿色储能为纲领背景下实现太阳能燃料或电力输出的高活性多重催化边界发硬讨论未来设进行展望，进一步确认本领域厚植化机会众多活跃边界促双碳价值兑现增长力。