摘要
近年来，多孔碳材料，由于其制备简单、成本低、资源丰富等优点被广泛应用于超级电容器中。传统的碳材料是由煤、石油这种非再生资源制备而来，但是这些资源在地球上的储量是有限的，而且制备过程繁琐且污染环境，因此环境友好型生物质资源近年来被高值化利用。其中木质素的结构独特，在植物的生长过程中会形成一种三维芳香烃结构，这种结构的特点是在高温碳化过程形成的多孔形貌不易坍塌，是一种非常有前景的超级电容器电极材料。木质素在自然界产量非常丰富，据统计，全世界每年由植物生长所贡献的木质素有0.5-3.6亿吨，然而，约95%的工业木质素作为一种低值燃料直接燃烧，而且只有2%的木质素被用作化学品或材料的替代材料，造成了木质素利用率严重不足。本文利用造纸纸浆的副产物木质素磺酸钠为原料，对其进行杂原子掺杂，表面调控，制备出具有高比表面积，优异的稳定性和良好的电化学性能的电极材料。 (1)N/S掺杂多孔碳材料的制备及其电化学性能的研究。以壳聚糖和木质素磺酸钠分别作为氮源和硫源，先经过冷冻干燥制备碳前驱体，再经过简单的碳化活化制备了N、S掺杂的多孔碳材料，考察了碳化温度和原料的质量比对碳材料的结构的影响，并探究了其电化学性能。结果表明，温度过高时，会造成孔道结构坍塌，比表面积减小，含氧官能团在高温下会分解成CO、CO2析出，降低电极材料的稳定性。当碳化温度为700℃，壳聚糖和木质素磺酸钠的质量百分比为30∶70时，经过KOH活化后，得到了尺寸为十几微米到几十微米相互堆积的层状多孔碳结构，比表面积可达1104m2g-1。在三电极体系中，电流密度为0.5Ag-1时，CNS30∶70的比电容为320Fg-1，且经过10000次循环后，其电容保持率为98.94%，表现出优异的电化学性能和出色的循环稳定性。 (2)N/S/P掺杂多孔碳材料的制备及其电化学性能的研究。以壳聚糖和木质素磺酸钠分别作为氮源和硫源，以磷酸二氢钠作为磷源，首先通过冷冻干燥法得到炭气凝胶前驱体，然后通过碳化-活化法制备出了N/S/P三掺杂多孔碳材料，考察了磷酸二氢钠含量对多孔碳材料的孔结构、杂原子组成和石墨化程度的影响。基于N/S/P三原子的协同效应，CNSP0.8获得了较高的N(2.28%)，S(3.01%)，P(0.46%)，O(17.99%)的掺杂量，高的比表面积(1974m2g-1)。在三电极体系中，以1molL-1H2SO4为电解质，在0.5Ag-1的电流密度下，质量比电容达528Fg-1。用组装的对称超级电容器在两电极体系测试中，获得了较高的能量密度(7.5Whkg-1，功率密度为27.86Wkg-1)和良好的循环稳定性(89.30%，10Ag-1的电流密度下10000次循环)。 (3)碳/氧化石墨烯复合材料的制备及其电化学性能的研究。放弃氢氧化钾活化方法来制备高性能的碳材料，使用水热反应将未活化的碳材料与氧化石墨烯复合时，可有效地抑制氧化石墨烯的堆积，并形成蜂窝状三维多级分孔结构，这种独特的多孔结构有助于离子快速扩散到其内表面，增强电化学性能。其比表面积也得到了有效的增加，因此活性位点也得到了增强，对电化学性能的提高有一定的促进作用。在三电极体系中，C/GO1∶1作为超级电容器电极材料时，在电流密度为0.5Ag-1时，C/GO1∶1在的比电容可达到418Fg-1，当电流密度增加到10Ag-1时，电容保持率为66.51%，性能表现良好。
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