摘要
基于对化石燃料不可持续性的担忧、温室气体排放造成的环境问题以及对能源多样性和安全性的巨大需求，人们对电化学储能装置提出了更高的要求。锌离子混合电容器（ZIHCs）集成了电池型负极能量密度高和电容型正极功率密度高的优点，是一种前景广阔的新型电化学储能器件。多孔炭材料作为最为成熟的电容型电极材料，在ZIHCs中也得到了广泛的研究与应用。然而，用于ZIHCs的多孔炭正极目前仍面临着成本过高、表面吸附活性位点少、比容量且倍率性能差、杂原子作用机制不明确等关键问题。木质素是植物储量最丰富的可再生芳香族聚合物，其碳含量高达60%，是制备多孔炭理想前驱体。本论文从新型活化剂的开发及木质素多孔炭结构调控的角度出发，探索了兼具低成本、高能量密度、高功率密度和长循环寿命的ZIHCs的构建方法。 主要的工作内容如下： （1）以酶解木质素作为碳源，可回收的CuCl2作为活化剂，制备了具有高炭产率、高比表面积、高氧掺杂量的低成本木质素衍生多孔炭（LPC）。CuCl2热分解产生的CuCl会熔融覆盖在多孔炭表面，抑制了热解过程中炭、氧元素的损失，使得LPC拥有高达14~17at.%的高氧元素含量，此外其脱氢反应活化机理造就了LPC高达50%的产率。制得的LPC具有适配水合Zn2+和SO42-离子直径的微孔孔径（0.76~2nm）、高比表面积和高氧元素含量，所构筑的ZIHCs在0.1Ag–1电流密度下，获得了375Fg–1的超高比电容。 （2）Cu(NO3)2作为活化剂和杂原子掺杂剂一步活化法制备了木质素衍生3D互连的分级多孔炭纳米片。不同炭化温度制备的多孔炭具有相似的形貌和孔结构，氮和氧掺杂量不同。异位XPS和DFT计算表明，氮掺杂通过降低羰基氧化态变化的能量势垒来促进赝电容反应。由于氮和氧共掺杂元素提供了大量的赝电容，并且分级多孔炭纳米片结构促进了Zn2+和SO42-离子的快速传输，所构建的ZIHC显示出高质量比电容（在0.1Ag–1时为301Fg–1）和较优的倍率性能（200Ag–1时比电容为68.9Fg–1）。 （3）以木质素磺酸钠作为碳源，纳米球状和棒状ZnO为硬模板，制备了含大介孔（gt;20nm）离子通道的分级多孔炭。与木质素磺酸钠自活化衍生的微孔炭相比，作为电解液储存池的大介孔离子通道能有效缩短离子传输路径，降低离子传输电阻，从而提高了水合Zn2+和SO42-的离子扩散系数，显著提升了ZIHCs的倍率性能。
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