摘要
超级电容器（supercapacitors，SCs）因其高的功率密度，长的循环稳定性以及安全环保等特点被认为是一种理想的能源存储器件，电极材料作为影响其性能的关键组件也受到了越来越多的研究。在众多的电极材料中，生物质基材料由于储量丰富，良好的可再生性以及廉价的成本受到了研究者越来越多的关注。必须承认的是，传统的生物质基材料活化工艺虽然能够有效提高其比表面积，但碳化后的产物往往介孔结构匮乏且产率较低，因此寻求一种低成本、高产率且孔隙结构丰富的生物质基材料的处理方法已经迫在眉睫。本论文以成本低廉、来源广泛的生物质材料作为前驱体，分别采用微波加热方法对前驱体进行处理，结合KOH化学活化、金属Co2+催化和高温退火过程，快速高效地合成了三种具有发达孔隙结构的高电容性能的生物质衍生碳（biomass-dervied carbons，BDCs），为大规模生产高性能生物质多孔碳电极材料提供了经济可行的策略。 本论文研究内容如下： 1.以藕粉为前驱体，分别采用微波和水热两种热处理方法，再经过后续的KOH活化碳化处理，制备得到藕粉基BDCs。通过Raman、XPS、BET等表征手段对两种方法制备的产物进行了比较。相对于水热法，微波法制备的样品MLRSC具有发育良好的孔隙，更大的比表面积（1002.8m2g-1）、更高的氧原子含量（11.17at%）。基于以上特性，MLRSC作为电极材料在2.0M硫酸电解液的三电极系统中展现出优越的电容性能（在0.2A g-1的电流密度下质量比电容值（Csp）高达480.2F g-1），以及较长的循环寿命（在10.0A g-1下进行15000次恒流充电和放电周期后拥有96.1%的电容保持率）。这一结果为制备高性能BDCs提供了一种简便高效的方法，同时展现出藕粉基BDCs作为高性能SCs电极材料方面的巨大发展潜力。 2.以丝瓜络为前驱体，采用预碳化与KOH活化、Co2+催化高温退火相结合的处理过程制备得到丝瓜络基BDCs。通过KOH活化与Co2+催化石墨化处理在高温碳化过程中的协同作用，不仅保留了前驱体中丰富的巨孔通道结构，而且获得了大的比表面积（1133.8m2g-1）、高的孔隙体积（0.666cm3g-1）以及丰富的氧（15.94at%）、氮（3.01at%）含量。基于该材料所组装的超级电容器展现出优越的电容性能，在0.2A g-1时电极材料（10.0mg cm-2负载量）体积比电容值（Cvp）高达1188.8F cm-3，Csp（2.0mg cm-2负载量）高达653.3F g-1）和良好的循环稳定性能（在10.0A g-1下进行15000次恒流充电和放电周期后拥有97.7%的电容保持率）。这一工作为制备高性能的生物质碳材料提出了一种经济可行的合成路线，为高性能SCs电极材料的大规模合成提供了可能。 3.以蜂蜜为前驱体，分别采用微波和水热两种热处理方法，与后续KOH活化、Co2+催化高温退火相结合，制备得到蜂蜜基BDCs。通过Raman、XPS、BET等表征手段分别对两种加热方法和有无Co2+催化制备的样品进行了比较。经过分子水平加热的微波法处理，得到了更优质的材料，而Co2+催化赋予其高度石墨化的结构特性，使得三维互联的蜂窝状CMC具有更高的比表面积（1404.6m2g-1），大孔隙体积（1.081cm3g-1）、更高的氧原子含量（9.71at%）。由于其优势性结构特点，电极材料CMC在2.0M硫酸电解液的三电极系统中，显示出了超高电容性能（在0.2A g-1时的Csp高达758.6F g-1）和良好的循环稳定性能（在10.0A g-1下进行15000次恒流充电和放电周期后拥有超过96.0%的电容保持率）。这一结果证明了蜂蜜基衍生碳材料作为电极材料具有优异的电化学性能，并提供了一种制备高杂原子、高石墨化程度和高性能SCs电极材料的高效方法，开发出了将生物质材料转化为超级电容器的功能性碳基电极材料的有效策略。
NETL