摘要
作为大规模使用新能源的关键技术，电化学储能技术在这一领域发挥着决定性的作用。因此，研发新型电极材料尤其是具备更高比容量、低成本、高循环稳定性和适合多种储能器件的通用多孔碳及其复合材料成为了当前该领域的研究热点。在本论文中，研究了不同合成方法、微结构调控和杂原子掺杂等对多孔碳及碳基复合材料的电化学储能性能的影响，还探索了这些材料在不同电化学储能设备中的通用性，开展了一系列相关的实验和机理研究。主要研究成果分述如下: 1.设计了一种使用KOH-乙醇溶液对火龙果皮衍生碳进行预处理的新工艺，再经煅烧后获得具有超高比表面积的分级多孔碳。首先，该预处理方法避免了传统水热法需要的高压釜反应，直接在低温常压下即可进行，简便省时;其次，以生物质火龙果皮为原料，经济环保，变废为宝;第三，相比直接使用KOH-水溶液处理获得的多孔碳，经该方法制备的多孔碳具有分级孔隙结构，比表面积高达3521m2·g-1,非常有利于提供更多的电荷储存活性位点;此外，所制备的多孔碳还具有丰富的氧原子掺杂，大大改善了电解液的润湿性，进一步提升了材料的电化学储能性能。因此，这种火龙果皮衍生分级多孔碳可用作固态柔性非对称电容器、锂离子电池和水系锌离子电池混合电容器的高性能电极材料，通用性很强，非常适合市场化应用。 2.由于双原子掺杂多孔碳相比单原子掺杂多孔碳具有更加优异的电化学储能性能。因此，我们首次采用KOH-三乙醇胺溶液作为溶剂,在高温下对水稻秸秆进行溶剂热处理，经烘干后直接煅烧活化，并最终获得了秸秆衍生的氮/氧（N/O）共掺杂的生物质多孔碳（TJGDCarbons）。这种新策略有以下一些特点:（1）高温下利用KOH加速秸秆中纤维素的糖苷键断裂，促使块状纤维素微粒化，并加速纤维素片层的剥离。（2）三乙醇胺作为溶剂不仅能够提供高温反应环境，还能在高温下与纤维素发生羟氨基化反应和醚化反应，实现溶剂自掺杂效应从而获得N/O共掺杂的分级多孔碳。（3）高温的热力学效应促使KOH更容易浸润到纤维素微粒的内部，有利于后期活化过程中分级多孔结构的形成。（4）该工艺制备的前驱体可直接进行煅烧处理，无须分离或水洗等工序，简化了操作过程并降低了生产成本。因此，这种TJGD多孔碳具有高比容量、快速充放电、超高能量密度和长循环寿命等优点，是适合于对称超级电容器、水系锌离子混合超级电容器和锂离子电池储能的多用途电极材料。 3.近期的研究证实,多原子掺杂多孔碳能够提供更丰富的储能活性位点并增强电解液与材料间的润湿性，进而提高碳材料的电化学储能性能。在此，我们设计了一种非常简便的溶剂热合成法，以柠檬酸、柠檬酸钾和硫脲为原料，乙二醇作溶剂，经175℃反应获得可直接煅烧的碳前驱体。经煅烧后，生成了具有高掺杂度和优异电化学储能性能的氮/硫/氧（N/S/O）三元共掺杂多孔碳（NSODCs）。首先，柠檬酸、柠檬酸钾和硫脲不仅充当构成碳材料主体结构的基本原料，还能够提供大量的掺杂原子，提高了碳材料的储能活性位点。其次，硫脲作为掺杂剂，同时提供了氮硫两种掺杂原子，通过酰胺化和酯化聚合反应调控生成的碳前驱体的大小和结构。并且，后续煅烧过程中N、S原子的气化产生缺陷和微孔可以继续实现对碳材料微观孔隙结构的优化。另外，柠檬酸钾在反应过程中也发挥了掺杂剂和造孔剂的作用，进一步提升了产物的比表面积。值得一提的是，该工艺制备的碳前驱体无需经历洗涤和添加其他活化剂的工序，可直接煅烧获得NSODCs,很大程度上简化了操作工序并降低了生产成本。据我们所知，这种用于制备NSODCs的新型合成方法尚未见报道。因此，在多用途储能器件电极材料制备领域极具应用前景。 4.最近，利用杂原子掺杂多孔碳对二维金属烯（MXenes）进行复合改性来获得新型Mxenes/C复合材料成为了当前电极材料研究领域的热点。由此，我们利用简便易操作的超声搅拌混合法将手风琴状的Nb2CMXenes和生物质衍生多孔碳（PCarbons）进行直接复合，最终获得了一种电化学储能性能优异的MXenes和碳复合材料（Nb2C-PCarbonsCPs）。与其他Mxenes/C复合材料制备方法相比，超声搅拌混合法工艺简单、成本低且生产周期较短，非常适合工业大规模生产。此外，Nb2CMXenes赋予复合物优异的电子传导和赝电容性能。而氧（O）掺杂的PCarbons自身具有高比表面积（约2712m2·g-1）和丰富的分级多孔结构。这些优势大大提升了复合材料的电化学储能性能。因此，这种简便合成法制备的Nb2C-PCarbonsCPs具有成本低、比容量高、充放电速率快、能量密度高且循环寿命长等优点，是非常有潜力的通用储能材料。
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