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摘 要 超级电容器作为一种清洁型电化学储能器件在实现可再生能源存储转化领域具有巨大潜力，而碳材料因具有微观孔隙结构可调节、化学稳定性优异的优点在电化学储能领域得到了广泛应用。与此同时，生物质作为制备碳基材料的可再生前体，具有储量丰富、易获取、环保且成本低的优点。然而，由于生物质碳前体的化学组成复杂，导致不同生物质衍生碳材料在微观结构和表面性质方面存在较大差异，生物质衍生碳材料在超级电容器中的实际应用具有一定挑战。对超级电容器用生物质基碳材料的研究现状进行了综述，总结了生物质的组成和生物质基碳材料的制备工艺对生物质基碳材料微观结构的影响，并对具有不同维度结构的生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了介绍。最后，对生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了展望，以期为生物质基碳材料的结构和表面功能调控以及开发低成本且性能优异的超级电容器的电极材料提供参考。
关键词 生物质；热解；碳材料；电化学；超级电容器
随着化石燃料过度使用及环境问题的不断恶化，人们对可再生能源和新型储能装置的需求日益增长。在各种储能设备中，超级电容器具有储能容量大、循环寿命长和充放电快等特点而受到广泛关注[1]。依据超级电容器的电荷存储机制，电极材料的合理设计是实现超级电容器优异性能的重要因素[2]。在所开发的电极材料中，碳材料因具有化学稳定性优异、孔隙结构发达和比表面积大的优点被认为是理想的电极材料[3]。然而，部分碳材料由金属有机框架（MOF[4]）、共价有机框架（COF[5]）等有机物前体合成，合成过程复杂且需使用大量有机溶剂，成本高且污染环境。因此，开发低成本、环保可持续的碳材料至关重要。
生物质是一种可再生的碳氢化合物资源，具有储量丰富、易获取和环保等优点[6]。近年来，以可再生物质为原料制备碳基电极材料引起了人们的广泛关注[7]。生物质基碳材料可通过一定方式继承或形成生物质特定的多孔结构。例如，WANG等[8]通过香蕉皮的直接碳化制备了具有微介孔纳米结构且具有较好电化学性能的碳材料。然而，由于生物质前体的化学组成复杂，且其转化过程涉及多种热解行为，导致生物质基碳材料的微观结构和表面特性有着较大差异，一定程度上限制了其在超级电容器中的实际应用。针对这一问题，对生物质基碳材料的微观结构构筑和表面功能调控被认为是克服其局限性的主要途径。目前，研究人员已经成功合成了具有零维、一维、二维和三维微观结构的纳米碳材料，并验证了将其用作超级电容器电极材料的可行性[9]。然而，针对生物质前体组成和转化行为、生物质基碳材料的制备工艺对生物质基碳材料结构特征的影响及机理方面的系统总结相对较少。
综上，本文对生物质基碳材料的相关研究进行综述，介绍常见生物质组成及热分解行为，总结生物质基碳材料典型的制备方法，并深入讨论制备条件与生物质基碳材料微观结构的内在关联，提出生物质基碳材料在超级电容器中的应用及所面临的挑战，以期为生物质基碳材料可控制备及规模化应用提供更多参考借鉴。
1 常见生物质的组成及其热解行为图片
1.1 常见生物质的组成
纤维素、半纤维素和木质素是自然界最丰富的生物质资源，是构成植物细胞壁的主要成分[10]。纤维素是由葡萄糖单元组成的线性聚合物，因范德华力和氢键将聚合物分子结合，故纤维素具有较强的机械性能[11]。同时纤维素因具有较高的孔隙率以及良好的柔韧性，使得其在制备柔性电极材料方面备受关注。半纤维素是一种杂多糖，由多种糖单元（木聚糖、葡甘聚糖和己糖醛酸等）组成[12]。与纤维素相比，半纤维素聚合程度较低且具有无定形结构，故其衍生碳产物有多种结构[13]，如球型形貌[14]和具有纳米通道的三维层状结构[15]。木质素是由苯基丙烷单元形成的具有三维结构的芳香族聚合物，通常采用溶剂法从植物中提取[16]。
1.2 常见生物质的热解行为
生物质的热解涉及多种反应类型，如脱水、解聚、异构化、芳构化及碳化等，这些反应一般并行或串联发生在以下3个阶段[17]。（1）起始阶段：生物质前体发生脱水、脱羧和不稳定聚合物的降解等行为。（2）初级分解阶段：大部分生物质分子单元发生解聚，形成固体碳。（3）次级反应阶段：上一阶段产生的解聚产物进行分子重排，经过芳构化产生稳定的芳香环，在更高温度下其他含氧杂环脱氧，实现高度碳化。
由于化学组成的差异，生物质材料表现出不同的热解行为。纤维素首先经脱水（150~300 ℃）形成无水纤维素，在300~390 ℃发生解聚，形成脱水低聚糖和脱水糖[18]。随后纤维素的碳结构开始剧烈变化，大量芳香环生成。400~800 °C时，芳香环经过脱氧脱氢完成碳化过程[19]。与纤维素相比，半纤维素的热解碳产率更高，造成这种差异的原因是半纤维素中的高矿物质含量促进了碳的形成，同时，单体单元的热稳定性和无定形结构可使半纤维素经历更多的重排反应，提高碳产量[20]。木质素具有大量的芳香环，并存在复杂的氢键网络充当刚性结构的晶格，具有抗热分解性[21]，因此其碳化过程有别于多糖碳化过程。木质素的解聚发生在150~420 ℃，包括苯基丙烷烷基链的转化和芳香环间大量支链的断裂，360~400 ℃时，木质素分解率和酚类生成率最大[22]。当温度为380 ℃时，芳香环上的短取代基（—H、—OH、—CH3和—OCH3）经过缩合和加成反应生成网状化程度更高的芳烃。温度高于 450 ℃时，单体单元之间的初始键大多已断裂，只有较为稳定的苯基键和醚键存在。温度高于800 ℃时，大部分芳香环继续重排并脱氧脱氢，芳香度继续增加[23]。由于化学组成的差异，木质素的碳产率远高于纤维素和半纤维素。YANG等[24]系统研究了以上3种生物质的热解特性，发现纤维素和半纤维素在900 ℃时的碳产率（质量分数，下同）分别为7%和20%，而木质素的分解相对困难，其碳产率高达40%。
生物质的整个热解反应过程伴随着大量热量和化学物质的传输，对其衍生碳材料的结构和形态影响显著。例如，纤维素和半纤维素中的大量羟基在低温下易降解为CO、CO2及H2O等挥发性化合物，有利于具有微孔结构的碳材料的形成[25]。同时，可通过合适的制备方式使纤维素和半纤维素保留含氧官能团，从而优化生物质基碳材料的表面性质。相比之下，由于木质素中氧原子含量较少以及惰性芳香族单元的存在，其衍生得到的碳材料多为无孔结构，需要进行活化处理以提升材料的孔隙率和比表面积，才能更好地应用于超级电容器电极材料中。
2 生物质基碳材料的制备方法图片
2.1 生物质前体的碳化
生物质前体的碳化是在惰性氛围下对材料进行热处理，将大部分氧、氢和其他非碳元素除去，最终留下富碳骨架结构的过程。水热和热解碳化是两种常用方法。
2.1.1 水热碳化
将生物质前体置于水性介质中，在低温、封闭状态下将其转化为碳材料的方法为水热碳化，常用于高含水量的生物质。研究表明，通过改变反应条件，可以实现对产物结构和形貌的精准控制[26]，而水热温度和停留时间是影响产物的主要因素。SUN等[27]发现当水热温度低于140 ℃时，葡萄糖衍生碳球无法形成，在160 ℃温度下水热3.5 h后，直径为200 nm的碳球产生，随着温度升高和时间延长，碳球相互融合且直径增大。此外，CHEN等[28]通过水热碳化不同的生物质前体（葡萄糖、木质素和纤维素）制备了衍生碳材料（图1）。结果显示，所得衍生碳材料均为球形，但木质素衍生碳球的平均尺寸大于其他前体衍生碳球，这归因于生物质组分热分解行为的不同。水热碳化具有操作简单、成本低和效率高等优点，但所制备的生物质基碳材料产率低且比表面积较小，因合成过程中解聚产物沉积在碳表面导致。
HTC-G为葡萄糖衍生碳；HTC-L为木质素衍生碳；HTC-C为纤维素衍生碳。
图1 葡萄糖、木质素和纤维素衍生碳材料的制备及形貌[28]
2.1.2 热解碳化
热解碳化是指将生物质前体在惰性气氛下高温分解成碳材料的过程。生物质基碳材料的结构可以通过控制热解温度、升温速率和保温时间等参数调节，而碳化温度直接影响产物的元素组成。在碳化过程中，生成的焦油和焦炭会经历杂原子的消除，随着温度的升高，杂原子整体含量会明显降低[29]。升温速率是决定热解产物的关键因素，快速地升温会导致生物质分解，从而产生更多的气体，而缓慢地升温会导致更多碳产物的形成[30]，因此，较小的升温速率更有利于生物质基碳材料的合成。热解碳化的另一个优势是反应气氛可调节，该过程通常在惰性气氛下进行，这些惰性气体不会与生物质发生反应，为碳化提供了合适的环境，而一些反应性气体在生物质碳化过程可起到改变衍生碳材料的化学成分或引入新元素的作用。例如，LUO等[31]在氨气氛围下热解纤维素滤纸制备了氮掺杂多孔碳材料。
碳化方法可直接决定生物质基碳材料的物理化学性质，水热碳化制备的生物质基碳材料通常保留了大量的含氧官能团，可以改善材料的浸润性，增加额外的反应活性位点。但是其孔隙率、比表面积和电导率相对较小，需要通过进一步活化处理才能更好地用作电极材料。相比之下，热解碳化制备的生物质基碳材料具有多孔结构，更有利于活化处理，同时热解过程中通入反应性气体可在产物中引入新元素。多孔结构和杂原子掺杂可使得生物质基碳材料具有更好的性能。
2.2 生物质基碳材料的活化
生物质基碳材料制备过程中，多级孔结构的设计和构建对提高电极材料的能量存储和转换效率至关重要。活化处理是使生物质基碳材料产生多级孔结构的关键步骤，该方法通过使用不同种类的气体或化学试剂与生物质基碳材料反应，从而增加生物质基碳材料的比表面积，丰富其孔隙结构。活化方式通常有化学活化和物理活化两类。
2.2.1 化学活化
化学活化通过使用化学试剂对碳骨架进行蚀刻，进而使生物质基碳材料形成丰富的孔隙结构。常见的活化剂有KOH、ZnCl2和H3PO4。通过KOH活化制备的生物质基碳材料通常具有较大的比表面积和孔体积，如ZENG等[32]通过KOH活化制备了比表面积高达4425 m2/g且微介孔并存的生物质基碳材料。
活化需经历以下阶段[33]。（1）温度为400~600 ℃时，生物质基碳材料与KOH反应，并有大量微孔和介孔生成，反应式见式(1)。（2）温度高于700 ℃时，KOH被完全消耗，附加反应产生的K2CO3、K2O进一步蚀刻生物质基碳材料表面，促进了生物质基碳材料孔隙结构的发育，反应式见式(2)~式(5)。（3）当温度超过金属钾的沸点，钾蒸汽会掺入碳层中，对生物质基碳材料结构造成破坏，导致生物质基碳材料的孔体积增大。
6KOH + 2C → 2K2CO3 + 2K + 3H2↑ (1)
K2CO3 → K2O + CO2↑ (2)
CO2 + C → 2CO (3)
K2CO3 + 2C → 2K + 3CO↑ (4)
C + K2O → 2K + CO↑ (5)
KOH活化基于物理、化学活化和碳晶格膨胀的协同作用，通过改变活化温度、前驱体/活化剂配比等参数，可以获得不同结构的生物质基碳材料。通常，生物质基碳材料的比表面积和孔体积随着温度和KOH质量比的增大而增大[34]，而过高的温度和过量的KOH会引起剧烈的刻蚀反应造成孔隙塌陷从而导致生物质基碳材料的比表面积减小。与KOH活化相比，使用ZnCl2活化制备的生物质基碳材料会同时产生大量微孔和小介孔（2~4 nm）。在热处理过程中，ZnCl2通常不直接与碳反应，而是促进生物质脱水和芳香族冷凝，促使开放孔隙的形成，同时ZnCl2在高温下挥发也会促进大量孔隙结构产生[35]。王芳平等[36]以板栗壳为碳源，采用ZnCl2活化方式制备了具有三维网状结构的多级孔碳材料，其比表面积和平均孔径分别达813 m2/g和3.4 nm。此外，H3PO4也是常用的酸性活化剂之一。H3PO4活化机理主要为通过催化生物质前驱体脱水、交联和缩合反应实现多级孔结构的构筑[37]。WEI等[38]研究了不同活化剂（KOH、ZnCl2和H3PO4）对橘皮基活性碳材料的影响。结果显示，由H3PO4活化的活性炭的比表面积和孔容均大于其他活性炭。然而，H3PO4活化存在腐蚀设备、活化剂回收困难以及成本高等缺点。
2.2.2 物理活化
物理活化通过活化剂（通常为CO2和水蒸气）与生物质基碳材料内部碳原子反应实现。物理活化分为以下3个阶段[39]。（1）开孔：活化剂在活化时与无定形碳发生反应而将其除掉，并使闭孔打开，露出微晶表面。（2）扩孔：微晶表面暴露出的碳原子与活化剂反应并产生空位，同时，孔隙内表面一部分碳原子与活化剂反应产生气体并被排出，使原有孔隙直径增大。（3）前一阶段刻蚀的不均匀微晶表面与活化剂反应，进而形成新的孔隙。物理活化制备的生物质基碳材料主要受活化温度和活化时间等因素影响。GUO等[40]研究发现活化温度的提高有助于椰壳基活性炭结构中孔隙的形成，且活化时间延长也有利于微介孔的产生。
活化是制备高孔隙率和大比表面积的生物质基碳材料的重要方法。物理活化操作简便、环保，但通常需要高温条件（600~1200 ℃）且活化效率低。相比之下，化学活化具有处理温度低、活化时间短、制备样品比表面积大和孔隙均匀等优点而更为常用，但仍存在活化剂腐蚀设备的问题。未来亟需优化活化工艺，探索更为高效和环保的活化方式。
2.3 生物质基碳材料的石墨化
生物质基碳材料良好的导电性可以加速电子转移、降低材料内阻从而提升生物质基碳材料的倍率性能和循环寿命。石墨化程度的提高有助于增加生物质基碳材料的导电性。目前，高温热解和催化石墨化是制备石墨结构生物质基碳材料的主要方法[41]。高温热解通常需要2500 ℃及以上的高温才能使碳原子重新排列，从而获得石墨结构，过程费时且耗能。催化石墨化是将催化剂引入到无定形碳中，降低从无定形碳向石墨相转变的活化能，在1000 ℃以下即可获得石墨碳[42]。JI等[43]研究了金属镍催化木质素转化为石墨化碳材料的反应机理，发现镍元素能催化无定形碳形成固溶体系，即在无定形碳和镍之间形成金属-碳复合材料，同时，无定形碳以石墨晶体的形式析出并与镍形成碳化物，然后在高温作用下分解成镍和石墨化碳（图2）。
图2 镍催化石墨化机理[43]
然而，石墨化程度的提高会减小生物质基碳材料的比表面积，破坏其孔隙结构。研究人员使用催化石墨化结合化学活化来解决上述问题。YANG等[44]使用硝酸钴和氢氧化钾分别作为石墨化催化剂和活化剂制备出了比表面积大（1265 m2/g）和石墨化程度高（IG/ID值为1.14）的多孔碳材料。
综上，通过碳化、活化和石墨化处理不仅能够实现对生物质基碳材料的微观孔隙结构的定向调控（增大生物质基碳材料的比表面积和孔隙率，调控微孔、介孔和大孔的相对比例），而且能够使生物质基碳材料的结构保持稳定。同时，以上处理方法还能够对碳材料的化学组成和表面化学性质进行优化。然而，碳化、活化和石墨化等处理方法往往需要在高温、高压、强酸或强碱等极端条件下进行，部分处理过程复杂、能耗高且污染严重，使得碳材料的大规模应用前景受到一定限制。未来，如能优化生物质基碳材料的制备及活化条件，将有助于扩大其工业化应用。
3 生物质基碳材料在超级电容器中的应用
天然生物质有丰富的微观结构，通过定向的合成策略，能够生产出具有多种维度结构的碳材料。本节对不同维度结构下的生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行介绍。
3.1 零维生物质基碳材料
零维生物质基碳材料通常具有化学稳定性好、比表面积大和易改性等特点，在储能领域应用广泛。碳纳米球作为典型的零维碳材料有着出色的流动性和分散性。模板法是制备均匀多孔碳球的主要方法，但合成路线复杂、耗时，且需要后处理去除模板。QU等[45]开发了一种直接将生物质转化为空心纳米碳球的绿色合成路线，以葡萄糖和氨基葡萄糖为前体，气溶胶为辅助制备了具有中空结构的碳纳米球，其作为电极材料时，比电容为266 F/g（0.2 A/g），3000次循环后的电容保持率为96.8%。除碳材料结构外，表面功能化是另一种提高生物质基碳材料电化学性能的方式。杂原子的引入不仅可以增加电极浸润性，而且引入了赝电容，可提升生物质基碳材料的电化学性能。HAO等[46]制备了葡萄糖衍生B/N共掺杂碳纳米球。B和N的共掺杂增加了反应位点的同时引入了赝电容，使衍生碳材料在电流密度为0.2 A/g时具有超高比电容（423 F/g）。出色的结构稳定性增强了衍生碳材料的循环稳定性，在30000次循环后，其电容保持率为106%。碳点具有良好的分散性，通常将其与高导电材料结合以加快离子的转移，并提升复合材料的电化学性能。HOANG等[47]采用水热法制备了花椰菜叶衍生碳点/石墨烯（RGO/CDs）复合材料，碳点作为间隔物可有效防止石墨烯片的堆叠，使碳材料的比表面积由191 m2/g增大到487 m2/g。电化学测试结果表明，该复合材料的比电容为278 F/g（0.2 A/g）。”零维生物质基碳材料超高的比表面积以及易掺杂杂原子的特性，使其在超级电容器中表现出优异的电化学性能[48]，但是零维生物质基碳材料通常需要复杂制备工艺，不能满足工业化要求，使其实际应用受到限制。
3.2 一维生物质基碳材料
与零维结构不同，一维生物质基碳材料通常具有较大的纵横比，有利于增大其比表面积。同时一维管状纤维状结构可使电解质离子快速传输，从而提升碳材料的倍率性能。CAI等[49]通过静电纺丝醋酸纤维素制备了氮掺杂纳米纤维。该材料在电流密度为0.2 A/g时的比电容为236 F/g，随着电流密度增加，比电容略有下降，其在电流密度为20.0 A/g时的比电容为178 F/g，表明该材料有较好的倍率性能。纤维素是制备纳米纤维的常用前体，但是其热稳定性较差，很难通过直接碳化制成碳材料。CAO等[50]提出了以H3PO4改性的纤维素和木质素为前体制备碳纳米纤维，将木质素较好的热稳定性和纤维素良好的柔韧性结合，使得碳纤维形态完整、直径均匀。一维生物质衍生碳材料良好的多孔和中空结构可以有效促进电解质离子的传输，而较低的堆积密度限制了其在超级电容器中的应用。研究人员通过将生物质基碳材料与金属化合物复合来解决该问题。KIM等[51]将金属氧化物Co3O4掺入碳纳米纤维中制备了超级电容器复合电极材料，该材料在多通道纳米纤维结构和Co3O4赝电容的共同提升作用下具有815 F/g的高比电容（2.0 A/g），稳定的结构使其展现出优异的循环稳定性（循环5000次后，电容保持率为92%）。
3.3 二维生物质基碳材料
碳材料二维化有助于增大其比表面积和孔隙利用率，减小离子的扩散距离，从而提高其比容量和倍率性能，然而，通常二维生物质基碳材料的制造工艺复杂且成本高。LU等[52]提出了一种简单有效的从生物质合成类石墨烯多孔材料的方法。将纤维素聚合物氧化并在弱酸中水解，可以有效剥离出纤维素片，经碳化处理后，原料的官能团分解，反应释放出气体，从而形成具有独特孔结构的石墨烯纳米片。该材料的比电容为340 F/g（0.5 A/g），经过10000次循环后电容保持率为98%。如前所述，石墨化程度的提高可以提升生物质基碳材料的导电性，降低内阻，提升生物质基碳材料的电化学性能及延长循环寿命。LI等[53]采用微波辐射制备了黑芝麻衍生多孔石墨烯材料，与传统碳化相比，该方法制备的材料不仅具有更大的比表面积（2414.5 m2/g），还表现出较高的石墨化程度（IG/ID值为1.16），将其用作超级电容器电极时的比电容为369 F/g（1.0 A/g），经过10000次循环后电容保持率为90%。多孔材料的构筑离不开活化处理，但是这些技术存在活化效率低、使用强腐蚀性和毒性化学试剂等问题。WANG等[54]采用“锁盐”技术，结合水热处理制备了氮、氧共掺杂的多级孔碳片，该方法取代了惰性气体的保护和强腐蚀性的KOH的使用，降低了成本。同时低温水热保留了生物质中含氮、氧的官能团，薄碳片结构有利于离子快速转移，丰富的介孔为电荷快速传输提供了便捷的通道，使得该碳材料的比电容达到451 F/g（0.5 A/g）。该方法为制备生物质基碳材料提供了一条绿色的合成路线。二维生物质基碳材料独特的片层结构、较低的离子传输阻力以及短距离的离子扩散路径使得二维生物质基碳材料在超级电容器领域得到广泛研究[55-57]，但不可避免的重新堆叠和过于致密的结构会减少二维生物质基碳材料的反应活性位点，从而影响其电化学性能。
3.4 三维生物质基碳材料
三维多孔碳具有较大的比表面积和发达的多级孔结构，能够在增加反应活性位点的同时保证电解质离子的充分接触。三维碳材料虽然具有良好的电化学性能，但其原材料和制备方法的成本高昂，极大地限制了其实际应用[55]。ZHAO等[58]以可再生废弃物果橙为原料，结合水热工艺和化学活化，制备了比表面积为2149 m2/g的三维多级孔碳材料，其作为超级电容器电极时具有453 F/g的比电容（1.0 A/g）。此外，引入杂原子改变生物质基碳材料的表面性质可进一步提升其电化学性能。CHEN等[60]以龟壳为原料，采用高温碳化结合KOH活化制备了具有发达蜂窝孔结构的比表面积高达2828 m2/g的氮、氧掺杂碳材料。电化学测试表明，该碳材料比电容为727 F/g（0.5 A/g），且10000次充放电循环后电容保持率达92.27%。碳气凝胶因具有孔隙率高、导电性高和质量密度低等特点而受到关注，设计绿色且简单的碳气凝胶合成路线是研究者的目标。ZHOU等[61]以萝卜为前体，ZnCl2为活化剂，水热合成了碳气凝胶材料。ZnCl2活化使该衍生碳材料产生大量微孔和小介孔，多孔结构降低了材料内阻，增强了电荷转移性，使得该衍生碳材料在具有352 F/g的高比电容（1.0 A/g）。此外，碳气凝胶的改性有利于碳材料电化学性能的提高。SONG等[62]通过机械混合、冷冻干燥和热处理的方法合成了蜂窝状氮掺杂碳/双金属硫化物和氧化物复合材料气凝胶。电化学测试结果显示，该碳材料具有2883 F/g的高比电容（1.0 A/g）。据分析，这一优异性能可归因于三维层状多孔气凝胶和金属硫化物/氧化物的协同作用。三维生物质衍生碳材料的制备多涉及高温炭化工艺，有利于碳材料多孔结构的形成。但是，该过程会降低碳材料的机械强度，从而降低材料的循环稳定性。
综上，生物质基碳材料的性能很大程度上取决于其微观结构和表面化学性质，发达的孔隙结构及良好的导电性是关键。不同生物质衍生碳材料的制备方法及其电化学性能见表1。
表1 不同生物质衍生碳材料的制备方法及其电化学性能
注：①括号中为电流密度；②括号中为循环次数。
由表1可知，通常需要结合多种制备方式对生物质基碳材料的结构和表面性质进行调控以确保生物质衍生碳材料具有优异的电化学性能。此外，生物质衍生碳材料目前仍存在材料纯度不高、产率较低等工业生产问题，需要进一步研究其转化规律以及高温碳化过程机理，调控物质基碳材料的结构和表面功能，以提升电极材料性能，使其满足工业应用中的实际需求。
4 结语与展望
目前大量的生物质作为前驱体经碳化后被应用到超级电容器电极材料的研究与实验中，并且展现了广阔的应用前景。然而，对于生物质碳化的机理还未进行系统的研究，尚不能根据要求对其形貌特征与化学性质进行足够合理的调控，并且生物质种类对其衍生的碳材料的影响也未明晰。为了实现生物质基碳材料更为精准的调控并满足工业化生产要求，还需要在以下方面进行深入研究。
（1）选择适当的生物质前体及采用不同的制备方法可以调控衍生碳材料的结构和表面性质。通常，性能优异的碳基电极材料需要结合多种方式来制备。目前，化学活化仍是制备大比表面、高孔隙率碳材料的主流方法，但该过程会产生大量废弃化学物质并需要酸或碱溶液进行后处理来去除杂质，相应的活化过程复杂、能耗高且不可持续，亟需优化活化工艺，探索高效、环保的活化制备方式。
（2）主要从碳化过程中的质量损失和气态产物来分析生物质基碳材料的热解机理，对于具体发生的反应和转化过程仍不够明确，因此需要采用原位表征手段深入探究详细的机理，研究不同类型生物质合成前后的结构变化，有助于对生物质基碳材料的结构进行更精准的控制。
（3）以生物质为前体制备碳基电极材料具有良好的前景，但目前仍存在产率较低等问题，不能满足工业化生产要求，需要进一步研究生物质转化机理，以实现生物质基碳材料的精准和量化控制。
