咖啡渣的“逆袭”

“咖啡渣千万不要扔”，在网上随处可见咖啡渣的回收、利用攻略，例如养植物、除异味等。但是，你知道吗，咖啡渣居然还能做成水杯、衣架以及生物燃料！

将最终产物与导电剂、黏合剂以一定比例混合，均匀地涂覆在铜箔上，干燥后就得到了电极。电极与隔膜（将电解槽内的阴极和阳极分开的可渗透的多孔膜）、电解液，可以在惰性气体（氩气）中组装成电池。咖啡渣完成了它的变身之旅，成为纽扣电池的一部分啦。

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。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。

若將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。

浓硝酸使碳层之间发生扩展（供图 / 朱继银  制图/ 周游）

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）。具体过程如右上图所示。

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。

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。

另外，用浓硝酸对样品进行处理可以使碳层之间发生扩展，从而在碳壁上形成微孔结构。这些孔隙为锂离子提供了大量的存储位置，便于离子的嵌入或脱出，这样就缩短了电子传导和离子扩散的距离。

石墨结构示意图

同时，大量孔隙的存在增大了碳材料的比表面积，这就使其表面活性位点增多，从而提高了材料的导电率。

除了用来制取碳材料，咖啡渣还可以用于制造生物柴油以及环保材料。同时，咖啡渣也走进了我们的日常生活中，有许多售卖咖啡饮品的商店可以免费领取咖啡渣，由大家对咖啡渣进行创造性利用。你有什么好点子让咖啡渣“活”起来吗？

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 周游）