咖啡渣的"逆袭":从废弃物到电池材料
咖啡渣的"逆袭":从废弃物到电池材料
咖啡渣是咖啡制作过程中的副产品，通常被视作废弃物。然而，近年来，随着环保意识的增强和科技的发展，人们发现咖啡渣其实蕴含着巨大的利用价值。从日常的除臭剂到高端的电池材料，咖啡渣正在实现一场华丽的"逆袭"。
咖啡渣（图源：《知识就是力量》杂志）
直接丢弃会污染土壤
烘烤、磨碎咖啡豆后，进行加热或蒸汽处理，提取后剩余的残渣就是咖啡渣。咖啡渣富含多糖，特别是含有大约50%的纤维素和半纤维素。
咖啡豆（图源：千库网）
其他相对丰富的化合物是木质素和蛋白质，约占20%。同时，咖啡渣也含有大量的油以及少量化合物，例如灰分、酚类化合物、矿物质、咖啡因等。
若将咖啡渣直接丢弃或者作为肥料会污染环境。这是因为，咖啡渣中残留的复杂有机物，例如咖啡因、单宁（一种多元酚类化合物）等对土壤有害。
还有些行业尝试将咖啡渣加工后用于燃烧和发电。但是，与木屑相比，咖啡渣燃烧时会产生颗粒物和有害气体，因此它无法作为固体燃料直接使用。要如何解决这些问题，实现咖啡渣变废为宝呢？
咖啡渣变身纽扣电池原料
其实，咖啡渣的潜在应用非常广泛，可以提取糖和油来产生生物燃料；分离酚类和抗氧化剂用作添加剂；还可以与其他成分物质结合，开发新的功能材料（在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性能，或者在其作用下表现出特殊性能的材料，如磁性材料、电子材料及催化材料等）。
例如，以咖啡渣作为原料制备多孔碳材料，可以作为碳负极材料用于锂离子电池，从而提高材料的电化学性能（化学能和电能相互转化）。咖啡渣“工厂”里的一系列操作步骤，包含哪些化学原理呢？
在碳化过程中，咖啡渣通过裂解反应（较大分子有机物在高温或催化条件下，分子链断裂成较小分子物质的过程）会产生焦油及挥发性物质。这些产物脱离原材料后，剩余的碳原子会结构重排，形成石墨的片层结构。
石墨结构示意图（图源：《知识就是力量》杂志）
这种结构有较多孔隙，但焦油或杂原子（相对于产物非必需的原子）等堵塞了大部分孔隙，因此并没有形成丰富的孔道结构。用氢氧化钾溶液处理碳化产物时，氢氧化钾溶液就像洗涤剂，可以溶解一些被吸附的焦油。
除此之外，氢氧化钾溶液会与一些碳原子发生反应，使碳材料产生新的孔隙结构、或者原有的孔隙结构会被开发，再使用除去阴、阳离子杂质的纯净水洗涤，洗净氢氧化钾等其他可溶性有机物后，就可以得到具有丰富孔道结构、较大比表面积（单位质量多孔固体的总表面积，包括内表面积和外表面积）的多孔碳材料了。