The physical properties of biochars contribute to their function as a tool for environmental management. Their physical characteristics can be both directly and indirectly related to the way in which they affect soil systems. Soils each have their own distinct physical properties depending upon the nature of mineral and organic matter, their relative amounts and the way in which minerals and organic matter are associated (Brady and Weil, 2008). When biochar is present in the soil mixture, its contribution to the physical nature of the system may be significant, influencing depth, texture, structure, porosity and consistency through changing the bulk surface area, pore-size distribution, particle-size distribution, density and packing. Biochar’s effect on soil physical properties may then have a direct impact upon plant growth because the penetration depth and availability of air and water within the root zone is determined largely by the physical make-up of soil horizons.The pres-ence of biochar will, by affecting these physical characteristics, directly affect the soil’s response to water, its aggregation, workability during soil preparation, swellingshrinking dynamics and permeability, as well as its capacity to retain cations and its response to ambient temperature changes. In addition, indirectly, many chemical and biological aspects of soil fertility can be inferred from physical properties, such as the physical presentation of sites for chemical reactions and the provision of protective habitats for soil microbes (Brady and Weil, 2008).

Heavy metal contamination in croplands has been a serious concern because of its high health risk through soil-food chain transfer. A field experiment was conducted in 2010-2012 in a contaminated rice paddy in southern China to determine if bioavailability of soil Cd and Pb could be reduced while grain yield was sustained over 3 years after a single soil amendment of wheat straw biochar. Contaminated biochar particles were separated from the biochar amended soil and microscopically analyzed to help determine where, and how, metals were immobilized with biochar. Biochar soil amendment (BSA) consistently and significantly increased soil pH, total organic carbon and decreased soil extractable Cd and Pb over the 3 year period. While rice plant tissues' Cd content was significantly reduced, depending on biochar application rate, reduction in plant Pb concentration was found only in root tissue. Analysis of the fresh and contaminated biochar particles indicated that Cd and Pb had probably been bonded with the mineral phases of Al, Fe and P on and around and inside the contaminated biochar particle. Immobilization of the Pb and Cd also occurred to cation exchange on the porous carbon structure.

Hexagonally ordered mesoporous LiFePO4/C nanocomposites can be synthesised with LiFePO4 nanoparticles embedded in an interconnected carbon framework. Mesoporous LiFePO4/C nanocomposites exhibit superior electrochemical performance and ultra-high specific power density, which makes this architecture suitable for high power applications such as HEVs and stationary energy storage for smart grids.

Recent interest in biochar characterisation has been driven by its effectiveness as a soil additive, where it can act as a carbon sink, a detoxification agent, and as a means to improve crop yields, especially when prepared as a char–mineral composite. Optimising biochar performance, raw material selection and manufacturing conditions, demands an understanding of structure and chemistry in these complex materials that typically comprise numerous minerals and organic phases. This study presents techniques to successfully image these challenging materials using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and Raman spectroscopy. The FTIR and Raman results are presented with results from scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM–EDX), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). We demonstrate that millimetre-scale organic phases are present in Acacia saligna biochar particles. Mineral enrichment of this biochar with bentonite-iron oxide generates new chemical phases, most likely through acid catalysed dehydration.

The electrochemical performance of lithium–oxygen (Li–O2) batteries awaits dramatic improvement in the design of porous cathode electrodes with sufficient spaces to accommodate the discharge products and discovery of effective cathode catalysts to promote both oxygen reduction reactions and oxygen evolution reactions. Herein, we report the synthesis of porous graphene with different pore size architectures as cathode catalysts for Li–O2 batteries. Porous graphene materials exhibited significantly higher discharge capacities than that of nonporous graphene. Furthermore, porous graphene with pore diameter around 250 nm showed the highest discharge capacity among the porous graphene with the small pores (about 60 nm) and large pores (about 400 nm). Moreover, we discovered that addition of ruthenium (Ru) nanocrystals to porous graphene promotes the oxygen evolution reaction. The Ru nanocrystal-decorated porous graphene exhibited an excellent catalytic activity as cathodes in Li–O2 batteries with a high reversible capacity of 17 700 mA h g–1, a low charge/discharge overpotential (about 0.355 V), and a long cycle life up to 200 cycles (under the curtaining capacity of 1000 mAh g–1). The novel porous graphene architecture inspires the development of high-performance Li–O2 batteries.

Many biochars have a complex carbon lattice structure with aromatic and aliphatic domains, acidic and basic groups, vacancies, metallic and non-metallic elements, and free radicals. Biochars also have separate mineral oxide, silicate and salt phases, and small and large organic molecules. In the rhizosphere, such constituents can be involved in chemical and biological processes along a soil–microbe–plant continuum, including nutrient cycling, metal chelation and stabilization, redox reactions, and free radical scavenging. It is hypothesized that the greater the amount of these nanoparticles and dissolved components, the greater will be plant and microbial responses. We provide suggestions for developing low-dose, high-efficiency biochar–nanoparticle composites, as well as initial field trial results and detailed characterization of such a biochar–fertilizer composite, to highlight the potential of such biochars.

Sodium (Na) metal is one of the most promising electrode materials for next-generation low-cost rechargeable batteries. However, the challenges caused by dendrite growth on Na metal anodes restrict practical applications of rechargeable Na metal batteries. Herein, a nitrogen and sulfur co-doped carbon nanotube (NSCNT) paper is used as the interlayer to control Na nucleation behavior and suppress the Na dendrite growth. The N- and S-containing functional groups on the carbon nanotubes induce the NSCNTs to be highly "sodiophilic," which can guide the initial Na nucleation and direct Na to distribute uniformly on the NSCNT paper. As a result, the Na-metal-based anode (Na/NSCNT anode) exhibits a dendrite-free morphology during repeated Na plating and striping and excellent cycling stability. As a proof of concept, it is also demonstrated that the electrochemical performance of sodium-oxygen (Na-O

A detailed study of the aqueous synthesis of composite 50−150 nm magnetite−gold core−shell nanoparticles with the ability to engineer the coverage of gold on the magnetite particle surface is presented. This method utilizes polyethyleneimine for the dual functions of attaching 2 nm gold nanoparticle seeds onto magnetite particles as well as preventing the formation of large aggregates. Saturation of the magnetite surface with gold seeds facilitates the subsequent overlaying of gold to form magnetically responsive core−shell particles, which exhibit surface plasmon resonance. In-depth characterization and quantification of the gold-shell formation process was performed using transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, energy-dispersive spectroscopy, and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy. Dynamic light scattering studies also showed that PEI coating of synthesized particles served as an excellent barrier against aggregation. The ability of the gold shell to protect the magnetite cores was tested by subjecting the particles to a magnetite-specific dissolution procedure. Elemental analysis of dissolved species revealed that the gold coating of magnetite cores imparts remarkable resistance to iron dissolution. The ability to engineer gold coverage on particle surfaces allows for controlled biofunctionalization, whereas their resistance to dissolution ensures applicability in harsh environments.