目前，植物生物质占地球总生物量的约82.4%（约258-340亿吨）[1]，[2]。全球每年的生物质产量超过100亿吨，包括农业和工业生产过程产生的生物质[3]。其中，纸张和纸板产品是城市固体废物的重要组成部分[4]。根据联合国粮食及农业组织的不完全统计，到2025年，全球纸张和纸板产品的总销量可能达到4.25亿吨。如此大量的纸板产品在使用后将被作为固体废物处理，要么回收利用，要么填埋或焚烧。这不仅违背了低碳发展的理念，还带来了更加严重的环境问题。作为一种绿色转化方法，将生物质废弃物转化为先进的功能性碳基材料已在电池、超级电容器、气体吸附剂和水净化等多个领域得到广泛研究[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。生物质转化得到的碳不仅具有独特的物理化学性质，如疏松的多孔结构、较大的比表面积（SSA）、丰富的官能团和强大的吸附能力，还具有可再生性、环保性和低成本[7]，[10]，[11]，[12]，[13]。木质素、稻壳、毛发、菊花、甘蔗渣和壳聚糖等生物质前体和废弃物已被成功转化为多孔碳[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。碳膜的制备通常涉及将转化后的碳粉与粉末粘合剂混合，并将其负载在碳纸或钛片等集流体上[16]，[17]。值得注意的是，在将生物质转化为碳粉的过程中，其原有的生物结构会被破坏。此外，添加聚偏二氟乙烯等非导电聚合物粘合剂不仅会显著降低碳材料的导电性和比表面积（SSA），还会增加碳膜与集流体之间的界面电阻，从而大幅降低多孔碳材料的性能[1]，[18]，[19]。因此，为了简化碳膜的制备过程，同时遵循可持续发展的理念并保持生物质的原始结构，有必要合理选择生物质废弃物作为前体来制备无需粘合剂的碳膜。此外，还优化了无需粘合剂的碳膜制备工艺参数，以进一步应用于二氧化碳捕获和微咸水淡化等领域。
空气净化和水处理是应对气候变化和淡水危机等挑战的关键技术[1]，[20]。世界卫生组织（WHO）指出，全球气候变化的主要原因是大气中二氧化碳浓度过高，而解决这一问题的技术之一就是捕获二氧化碳[21]，[22]。然而，WHO预测到2025年全球一半的人口将面临淡水资源短缺的问题[18]。微咸水淡化是解决淡水资源日益紧缺的关键技术。已经开发并应用了多种淡水生产技术，如离子交换、反渗透、电渗析和多级闪蒸[1]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。但这些技术存在能耗高、二次污染和运行成本高等问题，限制了其大规模应用。电容去离子（CDI）由于其节能、低成本、操作简单和环保等优点，已成为一种极具竞争力的微咸水淡化技术，引起了众多研究人员的关注。与传统淡化技术不同，CDI在静电作用下直接吸附水中的各种带电离子，并将其储存在多孔电极中以实现淡化，而不是直接去除水。CDI电极的再生仅需施加反向电压或短路即可实现。一般来说，具有高导电性和高比表面积（SSA）的多孔碳电极材料可以显著提高微咸水的淡化性能。传统的CDI技术通常采用将粉末活性材料与聚合物粘合剂混合的电极制备方法，这种方法不仅会掩盖活性位点，还会引入额外的界面电阻，导致电化学和电吸附性能下降。为了解决这一瓶颈，研究人员开始探索将生物质直接转化为无需粘合剂的自支撑碳电极的创新方法。最近，何等人[1]利用天然轻木作为前体，通过碳化和KOH活化成功制备出一种自支撑碳电极，在500 mg/L的NaCl溶液中实现了12.45 mg/g的淡化能力。然而，这种方法的可持续性存在疑问，因为直接消耗了具有经济价值的木材资源，且所得碳材料的孔结构相对简单，限制了其进一步改进的空间。另一种方法是先将泡桐木用白腐真菌预处理8周，然后进行碳化和KOH活化，在1 g/L的NaCl溶液中实现了28.78 mg/g的淡化能力[30]。尽管这项研究展示了转化废弃生物质的潜力，但依赖于复杂的真菌培养过程，过程可控性较差，且制备成本较高，从而限制了其实际应用的可行性。
尽管现有研究在自支撑碳电极领域取得了一定进展，但如何通过简单工艺将广泛存在的富含纤维素的废弃瓦楞纸板转化为具有高导电性和结构完整性的CDI电极仍是一个具有前景但研究不足的领域。基于此，本研究提出了一种利用废弃瓦楞纸板作为前体，通过一步碳化和KOH活化制备自支撑碳材料的策略。这种材料既可以作为高效的二氧化碳吸附剂，也可以作为高性能的CDI电极，为废弃资源的高价值和功能性利用提供了新的途径。无需粘合剂的多孔碳膜的制备基于城市中大量存在的废弃瓦楞纸板，这种纸板具有较高的机械强度。将固体废纸板转化为自支撑碳膜不仅保持了其原有的生物结构，确保了其优异的导电性和高比表面积（SSA），还为废弃纸板的循环利用提供了有效方案。图1展示了无需粘合剂的碳膜制备过程及其作为二氧化碳捕获和CDI电极的应用示意图。此外，为了进一步提高二氧化碳捕获能力和淡化性能，我们进一步用KOH对直接转化后的碳（称为碳化PB）进行了活化处理。在高温下，KOH与碳化PB反应，在纸板上形成额外的孔结构，从而提高了导电性和比表面积（称为活化PB），进而增强了二氧化碳吸附能力和淡化性能。对碳化和活化样品的二氧化碳捕获能力和NaCl吸附性能进行了测试。
