自然界中的生物质是一种来源广泛的可再生资源。由生物质碳化得到的生物炭材料在环境相关领域表现出良好的应用潜力。近年来,生物炭的应用已经从农业逐渐扩展到污染物去除、工业催化和能源存储等领域。然而,直接热解生成的生物炭往往存在着比表面积较低,活性成分不足和表面功能化较少等缺点,因此在实际应用中需要经过修饰提质处理。生物炭的元素组成、相组成、结构组成和表面性质不仅与生物质种类组成有关,同时还受热解温度、加热速率、压力和停留时间等热解参数影响。因此,对生物炭的各种性质进行更深入的研究,对其结构和组成进行调控,使其性能满足于不同应用领域的需求是亟待解决的难题之一。为此,本文通过改性生物炭组成和优化热解条件对生物炭的性质进行调控,制备了一系列高性能生物炭材料,研究了这些生物炭在污染物降解过程中的作用机制,构建了生物炭性质与性能关系,为生物炭的高值化利用提供了理论支持。本论文的主要研究内容和结果如下:1.为了将生物炭用于污染物的降解并提高其可回收性,通过热解FeCl3预负载的杉树锯末制备了具有磁性的生物炭材料。生物质在热解过程中释放的还原组分（如H2,CO和无定形碳）会将铁离子还原成零价铁,同时嵌入碳骨架的零价铁会改变生物炭的结构。当温度达到600℃时,铁会催化生物炭表面生成碳纳米纤维,将生物炭的比表面积提高到420 m2/g。改性后的生物炭可以通过活化过硫酸盐,在5 min内完全去除20 mg/L双酚A。结果表明在该体系下,污染物既可以通过自由基途径被降解,也可以通过非自由基途径被降解。在自由基途径中,生物炭中的零价铁可以与过硫酸盐反应生成羟基自由基和硫酸根自由基,这些活性成分会破坏双酚A中的C-C键,将其分解成二氧化碳和水。另外,生物炭中的持久性自由基可以将电子转移给过硫酸盐,生成活性自由基。在非自由基途径中,生物炭表面的碳纳米纤维可以激活和破坏过硫酸盐中的O-O键,使其成为电子受体,而富含电子的双酚A作为电子供体通过一个双电子传递的过程分解成二氧化碳和水。此外,由于生物炭中的铁被包裹在碳纳米纤维里,因此具有较高的循环稳定性。在上文的工作中我们发现生物炭中会形成环境持久性自由基,而生物炭中的持久性自由基可以诱导活性氧的生成,可能给环境带来潜在危害。为了实现生物炭的安全应用,研究了生物炭中的环境持久性自由基的生成机制。以污水厂脱水污泥热解生物炭为研究对象,考察了不同热解参数得到的生物炭中自由基的含量。结果表明生物炭中的自由基主要在300～600℃之间生成,最高浓度可达1.6×1019 spins/g。TG-FTIR-MS结果表明,热解过程中生成的含有羟基、羟基和醛基的芳香化合物是自由基生成的主要前体。这些化合物通过物理或化学方式吸附在金属氧化物的表面,氧中心的自由基是由氧原子将电子传递到金属氧化物上形成的,而碳中心的自由基是由过渡金属氧化物与芳烃和醛化合物之间通过阳离子-π相互作用吸附形成的。除了热解条件以外,污泥中的灰分和含氮物质在热解过程中会与持久性自由基发生反应,从而降低生物炭持久性自由基的浓度。2.针对磁性生物炭在催化反应中活性位点不足的问题,通过还原法将钯纳米颗粒负载在磁性生物炭上,制备了具有高活性和可回收性的Pd@Fe3O4/生物炭材料。利用生物炭表面的特定含氧官能团固定和分散钯纳米颗粒,提高其催化活性。以4-硝基酚还原作为一个典型反应,考察了制备的催化剂在污染物还原中的性能。结果表明,该催化剂在钯含量仅为1.5%情况下,催化4-硝基酚还原的效率可以达到商业5%钯碳的两倍。实验和表征结果表明钯和磁性生物炭中的Fe3O4具有金属-载体强相互作用。这种强相互作用可以使钯的表面电荷重新分布,使其具有还原价态和弱的吸附物结合能,在反应过程中可以提高反应速率。3.为了提高生物炭材料在电化学应用中的电子传递能力,以富含氮的蒲草生物质为原料,实现了在热解过程中杂原子的原位掺杂并制备了氮掺杂的磁性生物炭。探究了热解温度对氮的形态及含量的影响,发现热解后生物炭中的氮含量可以达到2.2%。随着热解温度的不断升高,生物炭中主要的氮种类由吡咯氮和吡啶氮转化为石墨氮。电化学脱氮性能表明,合成的氮掺杂的磁性生物炭材料可以在5 h内还原80%的50 mg/L硝酸盐溶液,并且氮气选择性为73%。机理研究结果表明,硝酸盐首先吸附在生物炭材料上,并被还原成亚硝酸盐。然后生物炭中缺电子的吡啶氮和吡咯氮可以通过电子转移的途径将亚硝酸盐进一步还原成氮气。此外,生物炭中的石墨氮可以降低水分子离解的能垒并加速原子氢的生成,从而促进了硝酸盐向铵盐的还原过程。