【摘 要】
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近年来,能源需求大幅增加,仅靠化石燃料供应既会导致储能迅速枯竭且会有害生态环境。因此,学术界和工业界广泛关注新型储能设备,重点研究设备的各种关键参数,如使用寿命、功率密度、使用温度范围等。超级电容器（SCs）兼具以上多数优点,遂成为当前热点研究的新型储能设备之一。其中,具有理想的孔结构/比表面积、良好的润湿/导电性和优异的表面化学性质等显著优势于一身的碳质材料,在SCs中显示出巨大的潜力和优势。但
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近年来,能源需求大幅增加,仅靠化石燃料供应既会导致储能迅速枯竭且会有害生态环境。因此,学术界和工业界广泛关注新型储能设备,重点研究设备的各种关键参数,如使用寿命、功率密度、使用温度范围等。超级电容器（SCs）兼具以上多数优点,遂成为当前热点研究的新型储能设备之一。其中,具有理想的孔结构/比表面积、良好的润湿/导电性和优异的表面化学性质等显著优势于一身的碳质材料,在SCs中显示出巨大的潜力和优势。但通常,制备碳材料的原料较为昂贵,制造工序也较为复杂,有时甚至在制造过程中会对环境造成一定的污染。因此,本论文选取生物友好型的马铃薯淀粉作为原料,通过植酸的辅助,合成了P/O共掺杂的纳米多孔碳材料,有助于超电容性能的提升。同时,选取植酸为P/O掺杂剂,成功对商业的微孔碳进行表面改性,并在此基础上,在电解质中添加合适的氧化还原添加剂,进一步提升SCs的电化学性能。相关结果如下:1.选取生物质马铃薯淀粉、明胶、壳聚糖分别作为碳源,引入植酸,达到活化和掺杂等效果,同时借助冷冻干燥工艺制成碳产品。通过电化学测试发现,马铃薯淀粉更具有作为SCs电极材料的潜力,而且植酸与马铃薯淀粉有一个最佳的比例。此时,再通过表征测试可以发现通过简单方法成功合成了P/O共掺杂的纳米多孔碳材料,P、O含量分别达到1.79 at%和17.56 at%,润湿性和赝电容也因此得以提高。另外,该材料的比表面积和孔容分别为798 m~2g-1和0.30 cm~3g-1。在1M H2SO4作为电解液的二电极体系中,在1 A g-1时,比电容可达到172 F g-1,倍率性能达到69.8%。在4 A g-1下循环5000次,电容保持率为85.7%。在功率密度为5000 W kg-1时,能量密度可达到4.0 Wh kg-1。由此可见,利用生物质作为碳源,选取合适的活化剂这种绿色环保的组合应用在SCs上是十分可行的。2.利用植酸作为掺杂剂,通过后处理煅烧的方法,实现了在商业微孔碳材料表面的P/O修饰,并对碳材料的结构等带来了有效的调节。具体而言,随着杂原子含量的增加,材料的孔隙率和接触角减小,电导率增大。此外,引入对氨基苯酚作为氧化还原添加剂,通过与表面官能团形成氢键和配位作用,产生更多的活性表面中心,从而提供额外的赝电容。结果表明,在含对氨基苯酚的1 M H2SO4电解液中,P/O掺杂的碳样品的能量密度高达9.2 Wh kg-1,比商业微孔碳的能量密度高2.6倍。因此,在操作简单、性能有效的前提下,对碳材料进行表面改性,再选取合适的氧化还原添加剂,两者的协同作用将对SCs的电化学性能有着极大地提高。
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