电动汽车和移动设备的日益普及导致电池行业对石墨化碳的需求激增。同时，全球能源消耗持续上升，全球变暖和环境污染等问题也在恶化。这些趋势使得开发可持续的碳基材料成为现代能源科学的主要研究方向。生物质是唯一的可再生碳源，引起了研究人员的极大兴趣。在生物质衍生碳材料中，基于生物质的石墨化碳表现出优异的电导率和热导率，以及显著的机械和物理化学性质。这些性质在能源存储与转换、环境催化、减少碳排放和军事工程领域具有巨大潜力。然而，传统的生物质石墨化碳制备方法通常需要超过2500°C的温度[1]。这对生产设备提出了严格的要求，导致能耗高、维护成本和生产成本增加。在生物质热解过程中使用过渡金属催化剂可以将生产温度降至1000°C以下[2][3][4]。铁作为一种廉价的过渡金属，有助于在生物炭中形成石墨微晶结构。在热解过程中向生物质中添加硝酸铁、醋酸铁或氯化铁等铁盐是一种特别有效的方法[5][6][7]。
然而，现有关于铁催化的生物质低温石墨化的研究往往忽略了生物质内在性质对石墨化过程的影响。具体来说，这些研究忽略了生物质中普遍存在的非金属元素，如氮、硫和磷[8]。龚等人[9]使用三聚氰胺作为氮源，K₂CO₃作为绿色活化剂，制备了具有蜂窝结构的氮掺杂多孔活性炭。在900°C下处理的活性炭表现出极高的比表面积（2051.35 m²/g）和孔隙率。然而，硫掺杂显著抑制了铁催化的石墨化过程；这种抑制作用在大约1130°C时变得无效。硫掺杂的碳在1150°C开始显示出部分石墨化结构[10]。彭等人[11]通过氧化预处理结合H₃PO₄活化，从山茶壳中制备了具有丰富缺陷位点的磷掺杂多孔碳。预处理引入了孔隙，并调整了生物炭前体的结构，有利于进一步的H₃PO₄活化，并有效防止了大颗粒的形成。这些非金属元素与生物质和催化剂在反应系统中发生显著相互作用，从而调节了生物质的石墨化过程。以往的研究主要集中在铁催化和金属元素对石墨化的影响[12]上。然而，非金属元素对生物质催化石墨化的影响尚未得到充分探索。因此，探索其潜在机制将提高基于生物质的石墨化碳的质量，并为生物质的高价值利用提供理论指导。
氮是稻草、粪便和污泥废弃物等生物质资源中的关键元素[13]。掺杂了过渡金属和氮的碳材料（M-N-C体系）被认为是最有前景的非贵金属催化剂，因为它们具有优异的催化性能和易获得性。将氮原子掺入碳材料中可以调节其电子结构，增加活性位点的数量，并显著提高其电导率和表面化学活性[14]。研究表明，在热解过程中，氮原子能够有效地被捕获在扩展的碳网络中，形成含氮结构，包括吡啶氮、吡咯氮和石墨氮[15,16]。这些含氮结构可以改变碳网络中的电荷分布、键结构和路易斯碱位点[17,18]。氮掺杂与金属催化剂之间的相互作用协同增强了碳材料的石墨化程度，促进了在低温条件下的碳骨架重构和孔结构优化[19,20]。最近的研究表明，M-N-C体系中的活性位点包括与氮配位的金属原子以及被封装金属及其碳化物纳米颗粒活化的石墨碳层[21][22][23]。因此，结合氮掺杂和硝酸铁催化在低温条件下高效合成生物质衍生石墨化碳具有潜力。然而，现有研究尚未解释氮掺杂如何影响使用Fe(NO₃)₃制备生物质石墨化碳的过程及其背后的机制。
基于此，本研究系统地研究了在低温条件下使用Fe(NO₃)₃作为催化剂制备生物质石墨化碳时氮掺杂的影响及其形成机制。由于纤维素被广泛认为是生物质的模型化合物[24]，本研究以纤维素作为研究对象。通过调节氮掺杂量和催化剂比例，探讨了不同来源的氮掺杂以及不同氮掺杂量对铁催化的纤维素低温石墨化过程的影响。采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱等表征技术研究了氮掺杂在生物质碳化和石墨化过程中的作用机制。这项研究为开发高效的低温生物质石墨化碳制备方法提供了理论基础和技术支持，为生物质的高价值利用开辟了新途径。
