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目前,将风能和太阳能等可再生资源利用能量转换技术(太阳能电池和机械发电机等)转化成电能可以解决能源和环境问题,但是由于可再生能源非稳态特性,直接并入电网会造成电压和频率等问题。因此,开发稳定的、高效的和低成本的储能器件对能源结构调整以及未来智能电网和智慧城市的发展具有重要意义。其中,超级电容器是一种安全性高、效率高和稳定性高的新型储能器件。另外,柔性超级电容储能器件也可满足未来柔性和可携带电子设备的需求。而以可再生和具有独特结构的废弃生物质为前驱体,开发高孔隙率的多孔碳作为电极材料,是超级电容储能领域和生物质资源高值化利用的重要研究课题。近年来,废弃生物质资源是生活中常见的废弃资源,分类处理是重要研究方向和热点。因此,本文以液态(过期果蔬饮品)、固态(花生粕等)和具有独特柔性棉纤维等废弃生物质为碳源,制备高性能多孔碳、多层次孔碳、N和S共掺杂多层次孔碳以及石墨化N掺杂多孔碳纤维,重点研究了碳材料的制备及其电容储能领域的应用。为开发高效和高稳定性超级电容储能电极材料和废弃生物质资源的高值化利用提供依据。本文主要从以下几方面开展了创新性研究工作:1)首先针对液态生物质资源,采用水热碳化和活化碳化两步法制备了源于过期果粒橙的多孔碳材料,探究了活化剂(KOH)用量对物化性质影响。结果表明:当KOH与水热碳材料的质量比值为4时(HPC-4),HPC-4的比表面积高达2149m2·g-1,具有丰富微孔孔隙结构。超级电容储能性能结果发现:HPC-4的比电容高达452.7 F·g-1(1A·g1)。组装的HPC-4//HPC-4全固态对称超级电容器的能量密度达到14.1 Wh·kg-1(140 W·kg-1),具有优良的稳定性(经过6000次GCD循环,电容保持率可以达到90%),并且可以驱动红色LED灯,说明其具有潜在的应用前景,也可以为液态生物质资源高值化利用提供依据。2)为了制备具有丰富介孔和大孔结构的多孔碳材料,针对固态废弃资源,采用以ZnCl2和Mg(N03)2·6H20为双模板剂的一步碳化法(双模板一步碳化法)制备花生粕衍生多层次孔碳材料。探究碳化温度和双模板剂用量对孔隙结构的影响。结果表明:在碳化温度800℃和双模板剂/碳源的质量比为2时,获得花生粕衍生多层次孔碳材料(N-P-S-HPC),具有超高比表面积(2090 m2·g-1)和丰富的孔隙结构(微孔、介孔和大孔),也可以充分地继承花生粕自身的N、P和S杂元素,含量分别是11.2 atomic%、0.82 atomic%和0.64 atomic%。电容性能测试表明:N-P-S-HPC具有优异的比电容性能,比电容可达到525 F g1(1 A·g-1),其中,杂原子N、P和S共掺杂的赝电容贡献率可以达到23%(Trasatti分析方法),远高于商业活性碳材料(比电容:230 F·g-1,赝电容贡献:8%)。组装的N-P-S-HPC//N-P-SHPC对称超级电容器的能量密度高达24.9 Wh·kg-1(400 W·kg-1)和经过6000次CV循环的电容保持率仍有90%(优异的循环稳定性)。同时,采用双模板一步碳化法制备过期果粒橙衍生多层次孔碳材料(FGO-HPC),明显发现,FGO-HPC具有超高比表面积,其中,介孔和大孔比表面积为592.9 m2·g-1,优于HPC-4(237 m2·g-1,第二章)。另外,进一步采用相同方法制备多种生物质衍生多层次孔碳材料,都具有高比表面积(大于1900 m2·g-1)以及丰富介孔和大孔结构,验证了该方法具有一定的普适性。3)针对部分生物质自身含有较少的杂原子掺杂量,在双模板一步碳化过程中,引入硫脲(作为N源和S源),制备了具有丰富N和S共掺杂的多肉叶衍生多层次孔碳材料(N-S-HPSC),从而进一步提高超级电容储能性能。结果表明:N-S-HPSC具有丰富的N元素(9.5 atomic%)和S元素(2.21 atomic%)共掺杂、超高比表面积(2136.2 m2·g-1)和丰富的孔隙结构。在1 A·g-1下,N-S-HPSC的比电容高达455.3 F·g-1。组装的N-S-HPSC//N-S-HPSC对称超级电容器在1 MNa2SO4电解液中,电压窗口可以拓宽至1.8 V,能量密度可以达到19.89 Wh·kg-1(450 W·kg-1),并具有良好的循环稳定性,验证了在双模板一步碳化法过程中,引入硫脲可以实现杂元素掺杂量和超级电容储能性能的提高。4)为了实现独特结构生物质的高值化利用,以具有柔性的废弃棉纤维为基底,在其表面原位生长ZIF-67@ZIF-8复合结构,制备了部分石墨化N掺杂多孔碳纤维材料(N-PC@GCF),进行柔性超级电容储能性能测试。结果表明:N-PC@GCF可以继承棉纤维的柔性、提高N元素掺杂量和比表面积以及具有部分石墨化结构。N-PC@GCF的比电容能达到427 F·g-1(0.5A·g-1),远高于空白的废弃卸妆棉衍生碳纤维材料(30.1 F·g-1)。组装的N-PC@GCF//N-PC@GCF对称柔性超级电容器的能量密度高达30 Wh·kg-1(1440 W·kg-1),具有良好的稳定性和柔性,并成功驱动LED灯,说明生物质衍生柔性多孔碳纤维结构在柔性超级电容储能方向具有重要意义和潜在的实际应用价值。