生物炭的制備及其在強化電子傳遞和催化性能等方面的研究進展

李怡冰， 李 涵， 黃文軒， 孫亞青， 操家順， 羅景陽*

1.河海大學， 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098

2.河海大學環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098

生物炭(Biochar)是一種在缺氧環(huán)境中對生物質進行熱化學轉化而獲得的碳質固體材料[1]，其在改善土壤結構和肥力，環(huán)境污染修復(如重金屬、有毒化學物質等污染物的高效吸附和降解)等方面得到廣泛應用[2-3]. 生物炭的制備材料具有來源廣、成本低等特點. 各種類型的有機廢棄物，例如農(nóng)業(yè)廢棄物、動物糞便、木材和污水污泥等，都可作為生物炭制備的潛在原料.

生物炭的主要性質與其制備原料及條件密切相關. 不同的原料衍生出的生物炭性質各異. 一般以生物炭中的灰分作為主要參考，在相同工藝條件下制備的生物炭灰分含量呈現(xiàn)出木本生物質<草本生物質<動物糞便的變化規(guī)律[1]. 同一原料衍生的生物炭也因其制備條件不同而具有不同特性. 例如，花生殼在熱解700 ℃下制備的生物炭較300 ℃所衍生的生物炭吸附能力更強[1]. 因此，如何根據(jù)生物炭的應用領域和目的選擇合適的制備原料和條件至關重要.

圖1 熱解過程示意[13]

一般而言，生物炭是一種富含碳的多孔材料. 由于其陽離子交換能力(CEC)高、孔隙率大等特點，能夠有效吸附重金屬和有機污染物等[2-3]. 因此，生物炭初期主要應用在污染物的吸附方面. 然而，吸附僅能固定和防止污染物的遷移，無法真正意義上的高效降解去除污染物. 近年來，越來越多的研究表明生物炭表面富含的大量OFGs表面官能團在促進電子遷移和催化等方面起著重要作用，通過強化生物反應之間的電子轉移或催化氧化實現(xiàn)污染物的高效降解[3]，在提高微生物代謝和環(huán)境保護等方面具有廣闊的應用背景[4-5].

生物炭的環(huán)境應用雖已成為研究熱點，但是目前有關生物炭性質與原料、制備條件之間的相互關系，以及生物炭在電子傳遞和催化等方面的研究相對較少，大大限制了生物炭應用的推廣. 該文主要針對生物炭的制備原料和條件對其性質的影響，及其在電子傳遞和催化方面的重要作用和機制進行了分析總結. 在此基礎上，初步探討了生物炭在厭氧消化、燃料電池、過硫酸鹽催化等環(huán)境領域中的潛在應用[6]，為深入了解生物炭的性質、機理及其潛在的應用提供一定參考.

1 生物炭制備原料及條件

1.1 生物炭的制備原料

生物炭是一種由生物質產(chǎn)生的碳質材料，其制備來源廣泛，常見的生物炭包括秸稈類生物炭、木質類生物炭等[7]. 以農(nóng)作物秸稈為原料制備生物炭是當今秸稈利用的一大熱點[8]. 農(nóng)作物秸稈作為一種典型的農(nóng)業(yè)殘留物，通過焚燒處理將造成嚴重的大氣污染. 將秸稈收集后通過造粒、炭化等工藝制成生物炭肥料還田不僅解決了秸稈的處理處置問題，還可利用其多孔結構吸附去除污染物，修復土壤并促進農(nóng)作物生長，實現(xiàn)秸稈的資源化利用.

生物炭制備也是將城市固體廢棄物轉化為高附加產(chǎn)品的方法之一. 全球每年大量產(chǎn)生的諸如污泥類的生物質殘渣，其成分復雜、處理成本極高. 如2018年我國剩余污泥年產(chǎn)量高達 4 000×104t(以80%的含水率計)[9]，將污泥轉化為生物炭是有效實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性的重要途徑[10]. 它不僅實現(xiàn)了污泥的資源化、無害化，同時生產(chǎn)的生物炭對減少環(huán)境污染也具有重要意義. 除農(nóng)業(yè)殘留物與污泥外，糞便、木質材料、森林殘留物以及食品或生物素等有機廢棄物也可作為生物炭的制備原料[11-12].

1.2 生物炭的制備條件

生物質的常見熱化學轉化技術包括水熱碳化、熱解和氣化等，三者的主要不同之處在于對反應溫度的要求，分別為350～550、650～1 100、900～1 500 K(見圖1)[13]. 3種熱化學轉化技術均可以將生物質轉為固體碳質材料，并產(chǎn)生增值的可燃合成氣、熱解油和水性熱解液等[14]. 部分學者認為這3種途徑產(chǎn)生的固體碳質材料均可稱為生物炭，但傳統(tǒng)意義上的生物炭主要是指熱解的固體產(chǎn)物，而固體物質在水熱碳化和氣化過程中生成的物質分別稱為水熱炭(Hydrochar)和炭(Char)[15].

熱解通常包括快速熱解和緩慢熱解. 快速熱解的典型特征是在溫度達到設定值后將原料加入反應器中，其停留時間僅為幾秒. 而慢速熱解是將原料在熱解之初放入反應器中，停留時間為半小時至數(shù)小時. 與快速熱解相比，慢速熱解通常具有較高的生物炭產(chǎn)率[16]. 與常規(guī)的碳材料如石墨烯的制備方法相比，通過熱解制備生物炭的方法簡便且成本低廉，有助于環(huán)境的可持續(xù)性[5].

1.3 性質差異

生物炭的應用及生態(tài)環(huán)境效益與其性質特性密切相關，例如灰分含量、多孔結構和比表面積(SA)等. 生物炭性質的常用表征技術如圖2所示.

圖2 生物炭的表征方法[17]

研究[18]表明，生物炭的理化性質與原料類型、熱解工藝參數(shù)(熱解溫度、反應停留時間和加熱速率等)等密切相關. 不同原料衍生出的生物炭，其主要元素組成和含量不同，性質功能各異(見表1). 例如，稻草來源的生物炭中鉀含量(961 mg/kg)和pH (9.5)均比木質生物炭(分別為349 mg/kg和8.0)高[23]. 豬、牛的糞便衍生出的生物炭在元素組成和比例等方面也差別明顯[24]. 此外，不同原料制備的生物炭SA的差異很大. 例如，在650 ℃下衍生的木質生物炭的平均SA為255 m2/g，而家禽垃圾和豬糞便等制備的生物炭SA僅分別為51和4 m2/g[25]，且糞便中SA較低可歸因于其易降解物質的含量較高[26]. 不同物質的混合共熱解也可能會對生物炭的性質產(chǎn)生影響，一般而言，木質素等固定碳含量較高的原料通過熱解制備的生物炭具有高SA和較為精細的芳香族結構. 例如，聚合物與稻草的共熱解會提高所得生物炭的碳含量、陽離子交換能力(CEC)、SA和pH等. 這主要歸因于聚合物中高含量碳和氫的協(xié)同作用[27].

熱解條件(熱解溫度、加熱速率等)也是影響生物炭理化特性的重要參數(shù)[28]. 熱解終溫、升溫速率和恒溫時間等增加將增加生物炭的pH，并影響C、H和O含量. 此外，熱解溫度還將顯著影響生物炭的表面形態(tài)及官能團[29]. Suliman通過比較不同溫度(623、673、723、773、823和873 K)條件下的生物炭性質時發(fā)現(xiàn)，生物炭中揮發(fā)物的質量分數(shù)、O/C(氧碳比)、H/C(氫碳比)隨熱解溫度升高而上升. 同時，隨著溫度的上升，大多數(shù)含氧表面官能團(羰基，羧基和羥基等)逐漸被去除；而總堿性物質含量隨著熱解溫度的升高而增加，導致較高的pH和電導率(EC)[30]. 高溫條件(350 ℃以上)下制備的生物炭一般具有較高的芳香性和極性，其吸附能力更好[31]，高溫也有利于纖維素半纖維素熱解炭的石墨化結構形成[32]. 如圖3所示，當熱解溫度為400 ℃時，生物炭的表面較為粗糙且呈孔隙結構，但孔隙未完全打開；熱解溫度為800 ℃時，生物炭的表面光滑且開孔數(shù)量大幅增加，芳香碳逐漸共軛化，在二維尺度上呈短程有序態(tài)；隨著溫度的不斷上升，生物炭表面逐漸光滑，其多孔結構由無序逐漸規(guī)則，內部呈蜂窩狀的多孔結構變成石墨化三維有序層狀結構. 此外，加熱速率也會影響生物炭的穩(wěn)定性，研究表明低加熱速率對生物炭的形成更有利[30].

生物炭的產(chǎn)率受熱解終溫影響最大[33]，通過比較不同熱解溫度下兩種粒徑生物炭(<2 μm的小粒徑和2～154 μm的大粒徑)的產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)，隨著熱解溫度的上升，2種粒徑的生物炭產(chǎn)率均不斷下降(前期降幅較大，后期逐漸平緩)，并且大粒徑生物炭的產(chǎn)率影響更為顯著[31].

綜上，不同原料制備的生物炭具有不同特性. 熱解工藝參數(shù)也是影響生物炭產(chǎn)率、形態(tài)與性質等的關鍵參數(shù). 綜合考慮原料的性質、類型及經(jīng)濟可行性，生物炭制備一般在450～600 ℃之間進行[14].

1.4 生物炭改性

隨著城市化與工業(yè)化快速發(fā)展，水/土等環(huán)境污染物問題(包括重金屬、有機污染物等)日益嚴重，為了進一步提升生物炭對污染物的去除能力，可通過修飾和改性等途徑強化生物炭的吸附和催化等特定性能，拓展其環(huán)境應用范圍[34]. 如圖4所示，一般可通過化學和物理修飾等方法對生物炭進行改性，其中化學改性是使用最廣泛的方法，主要包括酸改性、堿度改性、氧化劑改性、金屬鹽或含碳物質改性；物理改性主要包括蒸汽和氣體吹掃.

表1 不同原料和制備條件下生物炭的主要組分

圖3 生物炭晶體結構隨溫度變化示意[7]

圖4 生物炭的改性方法及其應用[17]

堿處理、碳材料添加、蒸汽和氣體吹掃等改性方法均能增加表面積，其中堿處理、蒸汽和氣體吹掃改性主要通過改變生物炭的結構來增加表面積，而碳材料改性主要通過生物炭和碳材料的協(xié)同作用增加了比表面積. 蒸汽和氣體的改性成本相對較高，并且熱解與蒸汽或氣體吹掃之間的反應條件也仍有待進一步優(yōu)化. 相對而言，堿改性的成本較低，適用范圍更廣泛.

碳、氮和氧等不同元素的比例對生物炭的性能具有重要影響. N/C決定了生物炭的基本性能；O/C決定了生物炭的親水性質；氮可提供活性位點[35]，與生物炭的催化性能相關. 與酸改性相比，堿改性可提高生物炭的表面芳族比和N/C，但將降低O/C[36]. 例如，稻殼生物炭的N/C和O/C分別為0.446和0.242，經(jīng)堿處理后分別變?yōu)?.299和1.035[37]. 由此發(fā)現(xiàn)，堿改性增加了生物炭的堿性，并降低了生物炭的親水性. 但是，通過酸/堿改性后需要進一步處理酸堿溶液，這使生物炭的改性過程復雜化，也是目前急于突破的方向之一.

圖5 生物炭在厭氧微生物中的DIET機制及其在厭氧消化中的主要作用[18，41]

與堿處理類似，氧化劑也可增加生物炭表面上的含氧基團(主要為羧基)，但其高昂的成本及氧化劑的后續(xù)處理限制了其廣泛應用，促進氧化劑溶液的循環(huán)利用可能是降低成本的一種重要方法. 與其他化學修飾相比，金屬或金屬氧化物改性主要用于增加吸附和催化的活性位，但是金屬離子易從碳基材料中泄露出來[17]，如何強化金屬離子在生物炭上的穩(wěn)定性是后續(xù)研究的關鍵. 此外，近年來污泥生物炭的改性后表現(xiàn)出的高吸附性及催化降解作用引起廣泛關注[38]，但相關的研究報道仍有限.

目前生物炭的改性方法大多為單一因素控制，性能改善并不顯著，如何通過復合途徑進一步強化生物炭的吸附和催化性能，同時提高材料的穩(wěn)定性并降低其潛在毒性和危害應是未來研究的主要方向.

2 生物炭在強化電子傳遞與催化領域的應用

2.1 電子傳遞強化

生物炭除了在物理特性(孔隙結構、比表面積等)等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢外，還含有大量的不飽和碳及特定官能團[5]. 例如，生物炭表面豐富的醌、氫醌以及與縮合芳香(亞)結構等具有氧化還原活性基團[39]，使得其獲得大量活性位點與不飽和電子對，在生化過程的電子傳遞和轉移中發(fā)揮重要作用，進而提升反應速率和工藝效能(如厭氧消化、燃料電池等).

2.1.1厭氧消化

在厭氧消化過程中，厭氧微生物氧化有機物實現(xiàn)熱力學焓能共享的過程中需通過導電細胞的納米導線(nanowire)實現(xiàn)電子或氫在微生物之間的轉移，即物種間的直接電子轉移(DIET)[40].

近年來研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以取代菌毛和c型細胞色素在乙?；彤a(chǎn)甲烷之間轉移電子的作用，在發(fā)酵細菌和產(chǎn)甲烷菌之間建立起穩(wěn)固的電子轉移鏈〔見圖5(a)〕[41]. 在DIET的作用下，巴氏甲烷八疊球菌和甲烷八疊球菌等能夠有效接受其他物種的電子，成為優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌，促進甲烷的生成[42]. 此外，生物炭還能夠增強和平衡微生物菌落的結構及活性，提高系統(tǒng)對有毒物質的緩沖能力等，促進甲烷的產(chǎn)生〔見圖5(b)〕. 生物炭表面含有大量的活性官能團，有利于促進厭氧微生物之間的電子傳遞，從而提高微生物的代謝活性，其較大的比表面積有利于厭氧微生物的附著，提高微生物的濃度. 因此，通過同步提升微生物的濃度和代謝活性，可有效加速物質的分解，促進水解過程[18]. 例如，研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加可促進厭氧消化系統(tǒng)中蛋白質、多糖和脂質水解效率(分別提高1.4、1.2和1.4倍)，相應的蛋白酶、葡聚糖酶和脂肪酶的活性分別提高1.6、1.3和1.2倍[43]. 同時，生物炭還能有效調節(jié)消化系統(tǒng)內底物的C/N，保持系統(tǒng)VFAs和堿度之間的平衡，減輕氨和VFAs的抑制作用. 研究發(fā)現(xiàn)，通過550 ℃下獲得的果木生物炭誘導，甲烷產(chǎn)量相比空白提高了69%，達到294 mL/g；雞糞生物炭的增強作用較小，但也提高了23%[28].

2.1.2微生物燃料電池(MFC)

微生物燃料電池(MFC)是一種將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置[2]，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和電極之間進行有效傳遞. MFC一般可以分為單室MFC和雙室MFC. 實際應用過程中多采用簡單、易加工的單式MFC(見圖6).

MFC中最重要的組成部分是電極，其電極材料應具備陽極與微生物之間的電子傳遞和陰極接受質子等功能. MFC的空氣陰極是氧化還原的主要場所，由氣體擴散層與催化層組成，因此空氣陰極的性能很大程度上取決于這兩個組成部分的物理化學性質，包括氫離子在催化層內傳輸效率的高低、催化劑本身催化活性位點的多少、催化活性位點的氧化還原能力強弱情況[2]. 高性能催化層一般具有豐富的孔隙結構、高比表面積和高性能催化活性位點，而生物炭在這幾個方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢. 研究表明，生物炭用于MFC中的電極材料時[44]，其輸出功率為457×10-3～532×10-3Wm-2，可與活性炭(674×10-3Wm-2)和石墨(566×10-3Wm-2)相媲美，并且其成本遠低于活性炭和石墨[2]，是一種極具潛力的MFC電極材料. 此外，藻類生物炭陽極比石墨板陽極產(chǎn)生更高的生物電流[45]，但由于不同類型的生物炭具有性質不同，其作為MFC電極材料的效能有待進一步研究.

除了作為電極材料之外，生物炭中豐富的官能團與較高比表面積等特性還能用作電極改性劑，表現(xiàn)出較好的催化氧化特性，提升微生物燃料電極材料的性能. 木質素衍生的生物炭具有較大的SA和孔徑，因此其作為電極改性劑時可以有效提高對有機化合物的分離能力和靈敏度，F(xiàn)erreira等[46]研究表明，修飾后的電極對苯二酚和鄰苯二酚的峰值電流分別提高了3倍和5倍.

此外，生物炭也可作為催化劑有效地提高MFC輸出功率. YUAN等[47]研究發(fā)現(xiàn)，污泥衍生的生物炭作為MFC催化劑時，其有效輸出功率提高至507×10-3Wm-2，與Pt/C作為催化劑時相當. LI等[48]研究也發(fā)現(xiàn)，以650 ℃條件下制備的玉米芯衍生生物炭作為催化劑，由于其高含量的石墨和吡啶氮導致電子傳遞增強，MFC的輸出功率(458.857×10-3Wm-2)遠高于未添加生物炭的空白組(200×10-3～300×10-3Wm-2).

2.2 生物炭基催化劑

近年來，生物炭作為催化劑在污染物的降解去除等領域廣泛應用，尤其在廢水處理方面效果顯著[5]. 例如，零價鐵對污染水域2,4,6-三硝基甲苯處理效率僅為60%，而通過在零價鐵表面進行生物炭涂層，其去除率可提高至90%以上. 與零價鐵的直接還原相比，生物炭涂層零價鐵的還原轉化明顯增強，這主要是因為生物炭中的OFGs催化增強了吸附分子與零價鐵之間的電子轉移[49]. LIU等[3]研究發(fā)現(xiàn)，嵌入Ag的生物炭雜化材料(Ag@BC)可在20 min完全還原Cr(Ⅵ)，且Ag@BC具備可重復利用性，經(jīng)3次循環(huán)后，Cr(Ⅵ)的最終還原效率仍可達到93%. 同時，生物炭在光催化降解環(huán)境污染物的體系中也發(fā)揮著重要作用(見表2). 例如，Jeon等[52]利用摻雜了石墨氮化碳的生物炭將金橙G的光催化氧化效率提升至90%. Matos[61]研究發(fā)現(xiàn)，S摻雜和N摻雜生物炭的光催化活性分別是TiO2的30倍和5倍，并且在人工太陽輻射下，S摻雜的生物炭對于MB的去除率可高達100%.

生物炭提升光催化效能的機制主要包括兩方面：①豐富的OFGs；②持久性自由基(PFRs). 一方面，在光照條件下，生物炭中富含的OFGs可以將電子轉移到溶解的氧中形成超氧自由基(·O2-)，·O2-可與H+反應生成過氧化氫(H2O2)，并進一步轉化為·OH; 另一方面，生物質在熱解過程中，其酚類木質素將產(chǎn)生豐富的苯酚或醌基將電子轉移到過渡金屬中，在生物炭中形成PFRs，促進光催化體系中ROS的形成. 例如，生物炭碳基質(BCM-Q)的醌狀結構可形成激發(fā)的三重態(tài)(3[BCM-Q]*)，誘導形成O2. 此外，BCM-PFRs也能將電子轉移到氧中形成·O2-和·OH等(見圖7)[26]. 計算分析發(fā)現(xiàn)，在苯酚廢水處理的光催化體系中PFRs對·OH形成的貢獻超過60%[29]，表明PFRs是·OH生成過程中的關鍵因素之一. 與此同時，生物炭也可以充當“電子穿梭機”，通過接受電子來調節(jié)電子轉移反應[29]. 這種電子穿梭機可以防止電子-空穴對(e-/h)的快速復合[40].

表2 生物炭基催化劑在光催化降解污染物中的應用

此外，以生物炭為載體，在其表面負載光催化劑的復合材料受到廣泛關注，尤其以二氧化鈦/生物炭復合材料的制備為主，其主要優(yōu)點包括： ①高吸附容量而促進光降解過程；②擴大光吸收范圍；③提供有效的電子轉移通道和受體，以增強光生電子-空穴對(e-/h)的分離[29]. 但是，目前材料的制備尚停留在實驗室階段，仍需對其原料的選擇及配比等條件進行優(yōu)化，以獲得大規(guī)模的推廣應用.

注： BCM表示生物炭碳矩陣；DOM表示溶解性有機物；BCM-Q表示類醌類BCM；BCM-PFRs表示持久性自由基與BCM結合.

類似地，生物炭也能催化過氧化物(如過硫酸鹽和H2O2等)生成自由基強化污染物降解[62]. 例如，污泥衍生生物炭能有效強化過硫酸鹽對4-氯苯酚的降解效率，在100 min內，4-氯酚的去除率達到92.3%[63]. 生物炭催化過硫酸鹽將偶氮染料金橙Ⅱ(AO7)脫色體系達到99.5%，遠大于單獨使用過硫酸鹽體系的脫色效率(65.5%)[64]. 在過硫酸鹽活化過程中，形成的活性物質主要包括硫酸鹽自由基(SO4-·)，羥基(·OH)，超氧自由基(·O2-)和單線態(tài)氧(O21)[65](見圖8). 這些活性物質氧化能力不同，對于有機污染物的降解效率等也可能表現(xiàn)出差異.

圖8 生物炭催化過硫酸鹽可能的活化機制[27]

與光催化類似，OFG和PFRs也是誘導過硫酸鹽等氧化劑產(chǎn)生自由基和ROS的主要因素. 生物炭催化生成硫酸鹽自由基和活性氧的主要反應如式(1)～(3)所示. 首先，OFGs可以將電子轉移到過硫酸鹽形成SO4-·. 然后，SO4-·可以與·OH或H2O反應生產(chǎn)·OH，WANG等研究證實污泥和水稻秸稈衍生的生物炭中豐富的OFGs可為S2O82-提供電子，有效活化過硫酸鹽，產(chǎn)生ROS和SO4-·等各種氧化自由基[45]. 而生物炭催化H2O2主要是通過生物炭表面結合的C—OH 將H2O2分解成，·OH同時釋放CO·等自由基實現(xiàn)對有機污染物的降解〔見式(4)〕[5].

BCsurface-OOH+S2O82-→BCsurface-OO·+SO4-·+HSO4-

(1)

BCsurface-OH+ S2O82-→BCsurface-OO·+SO4-·+HSO4-

(2)

SO4-·+H2O2/OH-→SO42-/HSO4-+·OH

(3)

BCsurface-OH+H2O2→CO·+·OH+H2O

(4)

近年來，過硫酸鹽的非自由基活化途徑逐漸被提出. 相較于自由基途徑，基于非自由基的反應途徑在高級氧化中表現(xiàn)出的特異性、抗干擾能力強以及無污染等特點，因可能在降解特異性有機污染物等方面更具優(yōu)勢而引起了廣泛關注[66-69]. 目前，普遍認為非自由基氧化主要途徑包括：①通過過硫酸鹽、水和催化劑(生物炭)之間的反應生成1O2[31]；②催化劑作為電子穿梭機將電子從有機基質(電子供體)轉移到過硫酸鹽(電子受體)，以達到抑制有機體氧化的效果[70]. 但是，有關生物炭活化過硫酸鹽的非自由基途徑的機制研究較少，參與電子轉移的反應性中間體配合物的原子結構及其與有機物的反應過程與途徑仍不明確，亟需進一步深入探究.

綜上，深入探索碳化物中的電子轉移機制和識別活性位點對于合理設計用于水修復的先進碳化物非常重要，生物炭含有的大量OFGs和PFRs等特定官能基團是其促進生化反應電子傳遞以及提升催化性能等的主要原因(見圖9).

圖9 生物炭在電子傳遞以及催化等方面的作用機制[5]

3 結論與展望

a) 生物炭的性質與生物質原料和反應制備條件等密切相關. 針對不同類型的生物質原料，如何通過優(yōu)化反應條件獲得性能優(yōu)良、經(jīng)濟成本低廉的生物炭材料，最終實現(xiàn)大規(guī)模的環(huán)境應用等仍具挑戰(zhàn).

b) 通過物理和化學等方法改性能夠不同程度地改善生物炭的比表面積、催化性能與吸附能力等；但是如何選擇高效經(jīng)濟的改性方法，定向改變和獲得具有特定性能的生物炭仍有待進一步研究；同時如何有效提升改性生物炭的穩(wěn)定性，降低潛在的環(huán)境風險(如改性化學藥劑的處理處置等)缺乏系統(tǒng)研究，如生物炭攜帶的有毒污染物——金屬氰化物的生成原因及控制機制探究.

c) 生物炭能有效促進生化反應過程中的電子傳遞及提升催化活性等，顯著提高生化反應速率和污染物的降解去除效率，主要是因為生物炭含有大量的表面含氧官能團(OFGs)、持久性自由基(PFRs)以及生物炭優(yōu)良的氧化還原特性. 但是，目前有關生物炭的用量、性質和粒徑對電子傳遞和催化活性效率等方面尚不明晰；同時，生物炭在應用于環(huán)境污染修復過程中，不同環(huán)境介質及反應條件對其催化降解效能等的影響仍缺乏系統(tǒng)研究. 此外，生物炭的回收、再生和再利用等經(jīng)濟效益也有待進一步探究.