咖啡渣的“逆襲”

“咖啡渣千萬(wàn)不要扔”，在網(wǎng)上隨處可見(jiàn)咖啡渣的回收、利用攻略，例如養(yǎng)植物、除異味等。但是，你知道嗎，咖啡渣居然還能做成水杯、衣架以及生物燃料！

將最終產(chǎn)物與導(dǎo)電劑、黏合劑以一定比例混合，均勻地涂覆在銅箔上，干燥后就得到了電極。電極與隔膜（將電解槽內(nèi)的陰極和陽(yáng)極分開(kāi)的可滲透的多孔膜）、電解液，可以在惰性氣體（氬氣）中組裝成電池?？Х仍瓿闪怂淖兩碇茫蔀榧~扣電池的一部分啦。

烘烤、磨碎咖啡豆后，進(jìn)行加熱或蒸汽處理，提取后剩余的殘?jiān)褪强Х仍??？Х仍缓嗵牵貏e是含有大約50%的纖維素和半纖維素。其他相對(duì)豐富的化合物是木質(zhì)素和蛋白質(zhì)，約占20%。同時(shí)，咖啡渣也含有大量的油以及少量化合物，例如灰分、酚類化合物、礦物質(zhì)、咖啡因等。

若將咖啡渣直接丟棄或者作為肥料會(huì)污染環(huán)境。這是因?yàn)椋Х仍袣埩舻膹?fù)雜有機(jī)物，例如咖啡因、單寧（一種多元酚類化合物）等對(duì)土壤有害。

還有些行業(yè)嘗試將咖啡渣加工后用于燃燒和發(fā)電。但是，與木屑相比，咖啡渣燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生顆粒物和有害氣體，因此它無(wú)法作為固體燃料直接使用。

濃硝酸使碳層之間發(fā)生擴(kuò)展（供圖 / 朱繼銀? 制圖/ 周游）

要如何解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)咖啡渣變廢為寶呢？

咖啡渣變身紐扣電池原料！

其實(shí)，咖啡渣的潛在應(yīng)用非常廣泛，可以提取糖和油來(lái)產(chǎn)生生物燃料；分離酚類和抗氧化劑用作添加劑；還可以與其他成分物質(zhì)結(jié)合，開(kāi)發(fā)新的功能材料（在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊性能，或者在其作用下表現(xiàn)出特殊性能的材料，如磁性材料、電子材料及催化材料等）。例如，以咖啡渣作為原料制備多孔碳材料，可以作為碳負(fù)極材料用于鋰離子電池，從而提高材料的電化學(xué)性能（化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化）。具體過(guò)程如右上圖所示。

咖啡渣“工廠”里的一系列操作步驟，包含哪些化學(xué)原理呢？

在碳化過(guò)程中，咖啡渣通過(guò)裂解反應(yīng)（較大分子有機(jī)物在高溫或催化條件下，分子鏈斷裂成較小分子物質(zhì)的過(guò)程）會(huì)產(chǎn)生焦油及揮發(fā)性物質(zhì)。這些產(chǎn)物脫離原材料后，剩余的碳原子會(huì)結(jié)構(gòu)重排，形成石墨的片層結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)有較多孔隙，但焦油或雜原子（相對(duì)于產(chǎn)物非必需的原子）等堵塞了大部分孔隙，因此并沒(méi)有形成豐富的孔道結(jié)構(gòu)。用氫氧化鉀溶液處理碳化產(chǎn)物時(shí)，氫氧化鉀溶液就像洗滌劑，可以溶解一些被吸附的焦油。

除此之外，氫氧化鉀溶液會(huì)與一些碳原子發(fā)生反應(yīng)，使碳材料產(chǎn)生新的孔隙結(jié)構(gòu)、或者原有的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)被開(kāi)發(fā)，再使用除去陰、陽(yáng)離子雜質(zhì)的純凈水洗滌，洗凈氫氧化鉀等其他可溶性有機(jī)物后，就可以得到具有豐富孔道結(jié)構(gòu)、較大比表面積（單位質(zhì)量多孔固體的總表面積，包括內(nèi)表面積和外表面積）的多孔碳材料了。

另外，用濃硝酸對(duì)樣品進(jìn)行處理可以使碳層之間發(fā)生擴(kuò)展，從而在碳壁上形成微孔結(jié)構(gòu)。這些孔隙為鋰離子提供了大量的存儲(chǔ)位置，便于離子的嵌入或脫出，這樣就縮短了電子傳導(dǎo)和離子擴(kuò)散的距離。

石墨結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)，大量孔隙的存在增大了碳材料的比表面積，這就使其表面活性位點(diǎn)增多，從而提高了材料的導(dǎo)電率。

除了用來(lái)制取碳材料，咖啡渣還可以用于制造生物柴油以及環(huán)保材料。同時(shí)，咖啡渣也走進(jìn)了我們的日常生活中，有許多售賣咖啡飲品的商店可以免費(fèi)領(lǐng)取咖啡渣，由大家對(duì)咖啡渣進(jìn)行創(chuàng)造性利用。你有什么好點(diǎn)子讓咖啡渣“活”起來(lái)嗎？

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）