本书是一部关于生物质衍生多孔碳材料的制备及其电化学性能研究的专业著作，主要研究内容包括：氢氧化钾及高铁酸钾活化制备木质素基介孔碳材料及其电化学性能研究、氮掺杂介孔木质素基碳材料的制备及其电化学性能研究、MgO模板法和ZnCl2活化法纤维素基碳材料的制备及其电化学性能研究、双模板一步碳化法制备生物质衍生多层次孔碳材料及其超级电容储能性能研究、丰富N和S共掺杂多层次孔碳材料的制备及其超级电容储能性能研究、石墨化N掺杂多孔碳纤维材料的制备及其柔性超级电容储能性能研究。 本书内容先进，体系合理，概念清晰，讲解详尽，可供材料类专业本科生、研究生、教师和工程技术人员阅读参考。

第1章绪论
　　1.1研究背景
　　进入21世纪以来，非可再生资源（煤炭、石油等化石能源）的缺乏和资源利用效率低，造成能源危机和环境污染问题日益突出。另外，随着可穿戴及便携式电子设备和电动汽车等的急速发展，人们的生活需要消耗更多的电能，因此开发利用风能和太阳能等可再生的清洁绿色环保资源成为解决未来的能源问题的有效途径。但与非可再生能源相比，可再生能源不能大规模直接储存，因此开发高效稳定的可再生能源（太阳能和风能等）转换储存技术成为过去几十年的研究热点。
　　在过去的几十年里，太阳能电池、机械发电技术和热电发电技术等可再生能源的能量转换技术（主要是将可再生能源转化成电能的技术）己经得到飞速的发展和普及。但是可再生能源发电具有间歇性、波动性、随机性和非稳态的特性，直接引入电网会造成电网的电压、频率和相位变化等问题，因此，需要储能技术来解决。开发稳定的、高效的、高性能和低成本的储能技术对我国能源结构调整，以及智能电网和智慧城市的发展具有重要的战略意义。
　　储能技术主要包括物理储能技术和电化学储能技术（图1-1）。物理储能是指将电能转化成势能，再将势能转化成电能的方式，主要分为飞轮储能、抽水储能和超导电磁储能等，目前，主要存在效率低下、成本高和空间要求大的缺点。电化学储能是指电能与化学能的可逆转换的方式，具有转换效率高、空间小和易控制的优点，主要包括超级电容器、钠硫电池、液流电池、金属空气电池和锂离子电池等，是备受学者高度重视的绿色阳光产业。而开发绿色、高效和稳定的储能材料是突破能量存储器件瓶颈的重要有效途径之一，并且己经列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》。
　　1.2电化学储能器件概述
　　电化学储能器件可以用来解决可再生能源发电的间歇性、波动性、随机性和不稳定性等问题。中国电化学储能结构占比（2018年）如图1-1所示，主要是锂离子电池、铅蓄电池、液流电池和超级电容器等。各种电化学储能器件*重要的指标是能量密度与功率密度，它们之间的对比关系图如图1-2所示[22]，与其他储能设备相比，超级电容器可以充当桥梁起过渡作用，展现出比二次电池（锂离子电池、铅蓄电池）更大的功率输出能力，比传统静电电容器更大的能量存储能力。鉴于此，美国、日本和欧洲（德国、法国）等都有关于超级电容器的重点研究、开发的战略项目和发展计划。另外，超级电容器除了被广泛用于电子产品和智能电网系统以外，在混合动力汽车也有应用，因此也引起我国越来越多的重视，将是未来综合储能设备的必备选择[23-25]。
　　1.3超级电容器概述
　　超级电容器（supercapacitors，SCs）也称作双电层电容器（electrical　double-layer　capacitors，EDLCs）或电化学电容器（electrochemical　capacitors）。20世纪70年代，SOHIO公司生产了首*商业化的超级电容器，并得到迅速发展。超级电容器主要包括电极材料、电解液和隔膜等重要部分，还具有集流体和外包装等。其中，电极材料是决定超级电容器储能性能的重要组成部分。在充电过程中，在电场的作用下，带正电荷离子和负电荷离子会分别向两极运动，并在电极表面发生吸附作用或氧化还原反应（法拉第反应）；而在放电过程中，吸附在两极的带电荷离子会重新释放在电解液中，对外界形成电流，从而实现能量的存储与传递，如图1-3所示。充放电过程中，吸/脱附或氧化还原反应都会很快完成，是实现较高功率密度的根本原因。其具有以下优点：
　　（1）电容量大，可以达到法拉第级别；
　　（2）相比于锂离子电池约为150W/kg的功率密度，其功率密度可以高达10kW/kg；
　　（3）相比于锂离子电池需要几小时完成充电，其可以在数秒内快速完成充电过程；
　　（4）具有宽泛的工作温度区间（40～70℃）；
　　（5）由于充放电过程具有良好的可逆性，其具有优异的库仑效率；
　　（6）具有较长的循环使用寿命，需要保养维护次数少；具有宽泛的工作温度区间（－40～70°C）；
　　由于充放电过程具有良好的可逆性，其具有优异的库仑效率；具有较长的循环使用寿命，需要保养维护次数少；具有隔断直流、耦合、滤波和稳压等优点。
　　目前，储能机理主要为：电荷双电层、赝电容和嵌入/脱嵌。根据三种储能机理可以将电容器件分为双电层电容器、赝电容超级电容器和杂化超级电容器。
　　1.双电层电容器
　　双电层模型的概念是19世纪的德国科学家Hermann　von　Helmholtz首先提出的，主要是指在电极-电解液界面会形成两种带相反电性的电荷层，并被广泛认可。而Stern将Helmholtz模型和Gouy-Chapman模型相结合，发现在电极-电解液表面
　　是有两个离子区域分布：Stern层是指离子强烈吸附在电极表面的紧密层；扩散层是指由于阴离子和阳离子热运动在溶液中形成连续分布层。这些模型主要是在电极材料表面发生吸附或脱附来达到储存能量的效果（图1-3）[33]。在其他客观条件不变的条件下，电极材料具有优异的比表面积和优异的孔隙结构，可以提升双电层电容器的比电容。
　　在双电层超级电容器中，碳材料是被广泛应用的材料，主要优点是化学稳定性好、导电性好、来源丰富、成本低等。活性炭（AC）、模板碳、碳纳米管、石墨烯等多种碳材料，被广泛应用到双电层超级电容器中[34]。
　　2.赝电容超级电容器
　　在20世纪末，电化学家Conway首先提出赝电容储能机理，主要是指除了在电极表面发生吸/脱附以外，同时电极材料具有电子得失，即快速地发生可逆的法拉第反应（氧化还原反应），如图1-4所示[35]。在赝电容超级电容器表面发生的氧化还原反应具有电子的释放和储存，相比于双电层超级电容器，具有较高的比电容，进而拥有较大的能量密度。目前，*普遍的赝电容电极材料主要包括过渡金属氧化物（Ru〇2、Co3〇4、NiO、Fe2〇3、Fe3〇4、Mn〇2）[36-38]和导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩的衍生物）。目前，过渡金属的硫化物、砸化物和氮化物也都是赝电容电极材料的重要研究方向。但是，电极表面的氧化还原反应不可能完全可逆和电极材料会发生晶型结构变化，因此会造成电极材料较短的使用寿命和较差的循环稳定性。另外，具有杂原子掺杂的多孔碳材料，也可以发生赝电容反应，进一步提高比电容储能性能。
　　3.杂化超级电容器
　　杂化超级电容器是指利用锂离子电池的负极材料和碳材料为正极，以含有锂盐（或钠盐）的有机电解液，在负极发生锂离子（或钠离子）的嵌入和脱嵌，而正极发生吸附与脱附形成的新型超级电容器，如图1-5所示。目前，杂化超级电容器的负极材料主要包括钛酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。另外，也可以用离子嵌入型的碳材料为负极材料（如石墨和焦炭等）。
　　综上所述，电极材料的优劣决定超级电容器储能性能的优劣，是超级电容器重要研究部分。目前，已开发的电极材料包括碳材料[34]、金属氧化物/氢氧化物/硫化物/硒化物[51，52]、导电聚合物[53，54]及其碳复合材料[53]等。其中，金属氧化物/氢氧化物/硫化物/硒化物和聚合物是不可再生的，并且对环境有害，成本高昂。在众多研究中发现，碳材料由于具有高的比表面积、丰富的孔隙结构、优异的导电性和较强的机械性能，在不同类型的超级电容器中，都扮演着重要的角色。例如，超高比表面积碳材料、过渡金属氧化物或硫化物与多孔碳复合材料和石墨材料分别可以应用于双电层电容器、赝电容超级电容器和锂离子杂化超级电容器。
　　为了制备高性能、高效率、高比表面积和特殊用途的碳材料，学者们开发了许多方法来优化其微观结构、表面积和孔隙率，如化学沉积法、气相沉积法和静电纺丝法制备高性能特殊结构碳材料[55]。虽然一些合成方法在实验室规模上发展得很好，但由于工艺复杂、成本昂贵和产率低，距离大规模商业化还很遥远。此外，部分高分子衍生碳材料来自昂贵的不可再生资源碳前驱体，如聚丙烯腈等。而生物质资源具有可再生、绿色和资源丰富的优点，废弃生物质资源是多孔碳材料的重要原料，生物质衍生碳材料优点将在1.4节介绍。因此，生物质资源是多孔碳材料首选原料。
　　1.4生物质资源及生物质衍生碳材料概述
　　1.4.1生物质资源概述
　　生物质资源是指通过光合作用得到可再生的有机体资源，即一切植物、动物和微生物，以及代谢或排泄的有机物质[56]。生物质资源主要组成包括纤维素、半纤维素和木质素等[56]，还有一部分包括蛋白质和脂肪酸等有机成分[57]，因此，生物质资源主要由C、H和O元素组成，也含有部分N、P和S等元素。生物质是人类*早利用的能源之一，目前，每年生产超过一千亿吨，其中包括能源作物、粮食、农林废弃物以及生活垃圾等，具有产量丰富、分布广、可再生、可降解和成本低的优点。近年来，在我国刚刚开展的垃圾分类工作，为实现废弃生物质资源的二次利用提供良好的开端。目前，废弃生物质具有广泛的应用方向，如分解液化得到航空柴油、可燃气体（H2、CO和CH4）和生物质衍生碳材料等（图1-6）[58]。生物质衍生碳材料在水处理、土壤改良和催化等领域得到广泛应用，其中，在储能领域也具有广泛的应用前景[58]。
　　1.4.2生物质衍生碳材料
　　由于生物质资源的碳元素含量以失去水分后的生物质干重计算大约有50%，

目录
前言
第1章　绪论　1
1.1　研究背景　1
1.2　电化学储能器件概述　1
1.3　超级电容器概述　3
1.4　生物质资源及生物质衍生碳材料概述　6
1.4.1　生物质资源概述　6
1.4.2　生物质衍生碳材料　6
1.4.3　生物质衍生碳材料的制备方法　7
1.4.4　生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用　14
1.5　研究意义、目的、内容和创新点　20
1.5.1　研究意义和目的　20
1.5.2　主要研究内容　20
1.5.3　创新点　22
参考文献　22
第2章　实验材料与方法　30
2.1　实验药品及仪器　30
2.2　材料微观结构表征　31
2.2.1　扫描电子显微镜　31
2.2.2　透射电子显微镜　31
2.2.3　X射线衍射分析　31
2.2.4　拉曼光谱　31
2.2.5　比表面积及孔径分布测试　31
2.2.6　X射线光电子能谱分析　32
2.3　材料电化学性能表征　32
2.3.1　循环伏安测试　32
2.3.2　恒流充放电测试　
第3章　氢氧化钾活化制备木质素基介孔碳材料及其电化学性能研究　34
3.1　引言　34
3.2　材料制备　34
3.3　介孔碳材料微观结构表征　35
3.3.1　XRD和Raman光谱的表征　35
3.3.2　SEM、TEM表征　36
3.3.3　氮气吸/脱附测试　37
3.4　电化学性能研究　38
3.4.1　循环伏安测试　38
3.4.2　恒流充放电测试　39
3.4.3　交流阻抗测试　39
3.4.4　循环耐久性测试　40
3.5　本章小结　41
参考文献　42
第4章　高铁酸钾活化制备木质素基介孔碳材料及其电化学性能研究　43
4.1　引言　43
4.2　材料制备　43
4.3　活化剂浓度对碳材料微观结构的影响　44
4.3.1　XRD和Raman光谱的表征　44
4.3.2　SEM、TEM表征　45
4.3.3　氮气吸/脱附测试　46
4.4　电化学性能研究（活化剂浓度）　47
4.4.1　循环伏安测试　47
4.4.2　恒流充放电测试　48
4.5　碳化温度对碳材料微观结构的影响　49
4.5.1　XRD和Raman光谱的表征　49
4.5.2　SEM、TEM表征　49
4.5.3　氮气吸/脱附测试　51
4.6　电化学性能研究（碳化温度）　52
4.6.1　循环伏安测试　52
4.6.2　恒流充放电测试　52
4.6.3　交流阻抗测试　53
4.6.4　循环耐久性测试　54
4.7　本章小结　55
参考文献　55
第5章　氮掺杂介孔碳木质素基碳材料的制备及其电化学性能研究　58
5.1　引言　58
5.2　材料制备　58
5.3　氮掺杂介孔碳材料微观结构的表征　59
5.3.1　XRD和Raman光谱的表征　59
5.3.2　SEM、TEM　表征　60
5.3.3　氮气吸/脱附测试　61
5.3.4　X射线光电子能谱表征　62
5.4　电化学性能研究　65
5.4.1　循环伏安测试　65
5.4.2　恒流充放电测试　65
5.4.3　交流阻抗测试　66
5.4.4　循环耐久性测试　67
5.5　本章小结　68
参考文献　69
第6章　MgO模板法纤维素基碳材料的制备及其电化学性能研究　71
6.1　MgO模板法纤维素基碳材料的制备　71
6.2　MgO模板法纤维素基碳材料的微观结构研究　71
6.2.1　XRD和Raman光谱的表征　71
6.2.2　形貌表征　74
6.2.3　孔结构表征　76
6.3　MgO　模板法纤维素基碳材料的电化学性能研究　79
6.3.1　不同条件下电化学性能分析　79
6.3.2　Mg15-800℃-2h在三电极体系下的测试　84
6.3.3　Mg15-800℃-2h在二电极体系下的测试　85
6.4　本章小结　88
参考文献　88
第7章　ZnCl2活化法纤维素基碳材料的制备及其电化学性能研究　90
7.1　ZnCl2活化法纤维素基碳材料的制备　90
7.2　ZnCl2活化法纤维素基碳材料的微观结构研究　90
7.2.1　XRD和Raman光谱的表征　90
7.2.2　SEM表征　91
7.2.3　TEM表征　92
7.2.4　孔结构表征　93
7.3　ZnCl2活化法纤维素基碳材料的电化学性能研究　94
7.3.1　不同温度下纤维素基碳材料电化学性能研究　94
7.3.2　三电极体系下的测试　95
7.3.3　二电极体系下的测试　96
7.4　本章小结　99
参考文献　100
第8章　双模板一步碳化法制备生物质衍生多层次孔碳材料及其超级电容储能性能研究　101
8.1　引言　101
8.2　实验部分　102
8.2.1　实验试剂及仪器　102
8.2.2　花生粕衍生多层次孔碳材料的制备　102
8.2.3　生物质衍生多层次孔碳材料的制备　103
8.3　表征方法及超级电容储能性能测试方法　103
8.4　结果与讨论　104
8.4.1　花生粕衍生多层次孔碳材料的表征结果与讨论　104
8.4.2　与商业活性炭材料对比的表征结果与讨论　115
8.4.3　花生粕衍生多层次孔碳材料的超级电容储能性能测试结果与讨论　118
8.4.4　生物质衍生多层次孔碳材料的表征结果与讨论　128
8.4.5　生物质衍生多层次孔碳材料的电容储能性能测试结果与讨论　130
8.5　本章小结　133
参考文献　134
第9章　丰富N和S共掺杂多层次孔碳材料的制备及其超级电容储能性能研究　137
9.1　引言　137
9.2　实验部分　138
9.2.1　实验试剂及仪器　138
9.2.2　丰富N和S共掺杂多层次孔碳材料的制备　138
9.3　表征方法及超级电容储能性能测试方法　139
9.4　结果与讨论　139
9.4.1　丰富N和S共掺杂多层次孔碳材料的表征结果与讨论　139
9.4.2　丰富N和S共掺杂多层次孔碳材料的超级电容储能性能结果与讨论　144
9.5　本章小结　150
参考文献　151
第10章　石墨化N掺杂多孔碳纤维材料的制备及其柔性超级电容储能性能研究　153
10.1　引言　153
10.2　实验部分　154
10.2.1　实验试剂及仪器　154
10.2.2　棉花纤维衍生石墨化N掺杂多孔碳纤维材料的制备　154
10.3　表征方法及超级电容储能性能测试方法　155
10.4　结果与讨论　155
10.4.1　棉花纤维衍生石墨化N　掺杂多孔碳纤维材料的表征结果与讨论　155
10.4.2　棉花纤维衍生石墨化N　掺杂多孔碳纤维材料的超级电容储能结果与讨论　163
10.5　本章小结　168
参考文献　169
第11章　结论与展望　172
11.1　结论　172
11.2　展望　175
索引　176