摘要
超级电容器作为新型储能器件之一，因其安全性高、功率密度大和循环寿命超长等优势而备受瞩目，但其也存在能量密度和比电容较低的问题。超级电容器的性能主要由电极材料决定，而生物质基多孔炭材料具有比表面积大、成本低和稳定性好等优点，成为电极材料的理想候选材料。因此，基于生物质制备性能优异的多孔炭材料对于推动储能器件的发展和可再生能源的利用具有重要意义。本论文以玉米芯为碳前驱体，采用多种方法制备出一系列不同结构和性质的多孔炭。结合先进分析技术对多孔炭的比表面积、孔隙结构、表面化学组成和石墨化程度等进行表征，并考察了其作为电极材料时的超级电容器性能。 以生物质废弃物玉米芯为碳前驱体，经低温预炭化和KOH活化得到高比表面积的富微孔型多孔炭（CPCX）。详细考察了制备条件包括活化温度、活化时间和碱炭比与炭材料孔结构的关系。结果表明，CPCX制备的最优条件为：活化温度650℃、活化时间1h和碱炭比为3。经过优化，CPC650-1-3的比表面积和总孔体积分别为2998m2g-1和1.23cm3g-1，Vmicro/Vmeso为8.26。丰富的微孔结构可提供足够大的界面来储存电荷。CPC650-1-3在以6MKOH为电解液的三电极测试体系中，0.5Ag-1的电流密度下的比电容为258Fg-1，明显优于未经活化的参比生物炭（BC）的比电容（73Fg-1）。在电流密度增加到10Ag-1时CPC650-1-3的比电容仍达到190Fg-1。两电极体系中的CPC650-1-3对称超级电容器在进行10000次循环后电容保持率为90.1%。 以三聚氰胺为主要氮源，通过氮掺杂策略结合高温热解法制备了玉米芯基氮掺杂分级多孔炭（MACX）。结果表明，MACX制备的最优条件为：活化温度800℃、三聚氰胺与生物炭的质量比为1:1。最优条件下制备的MAC1-800比表面积最高，达到了3639m2g-1，其孔隙主要由0.5-2nm的微孔、2-5nm的介孔和部分大孔组成。相互交联的分级孔结构有助于离子的有效吸附和快速扩散。另外，氮掺杂策略缩短了电解液对炭材料的完全润湿时间，明显改善了炭材料的表面润湿性。三电极体系中，MAC1-800在0.5Ag-1的电流密度下的比电容高达342Fg-1，大电流密度（10Ag-1）下比电容仍达到303Fg-1，电容保持率为88.6%。两电极中，基于MAC1-800组装的器件的功率密度为500Wkg-1时，能量密度达到32.3Whkg-1，在10Ag-1下对该器件进行10000次充放电后电容保持率为82.2%。 以乙酸镍为催化剂，通过对玉米芯进行水热预处理和KOH活化制备得到具有高石墨化度的多孔炭（GACX）。详细考察了水热温度、水热时间和催化剂用量对样品的基本性质和电化学性能的影响。结果表明，GACX制备的最优条件为：水热温度160℃、水热时间2h和乙酸镍/玉米芯质量比为0.2。最优条件下制备的GAC160-0.2-2的比表面积高达2260m2g-1，总孔体积为0.98cm3g-1。GACX制备过程中生成的Ni可催化无定形碳转变成有序石墨碳，从而提高炭材料的石墨化程度（ID/IG=0.88），促进电荷的快速转移。以6MKOH为电解液的三电极体系中，GAC160-0.2-2表现出最优异的电化学性能。电流密度0.5Ag-1时GAC160-0.2-2的比电容为326Fg-1，电流密度增大到10Ag-1时比电容为280Fg-1。两电极体系中，基于GAC160-0.2-2组装的器件在500Wkg-1的功率密度下，能量密度可达29.8Whkg-1，经10000次循环后电容保持率为87.5%，表现出优异的倍率性能和长循环寿命。
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