摘要: 生物质衍生多孔碳材料由于其高比表面积、分级孔道结构和较高石墨化程度，在电化学储能领域有广泛的应用。但受到双电层电荷存储机制的影响，其较低的电化学容量在高性能电极材料中的应用受到限制。因此，对生物质多孔碳进行功能化设计提高比容量成为... 展开 生物质衍生多孔碳材料由于其高比表面积、分级孔道结构和较高石墨化程度，在电化学储能领域有广泛的应用。但受到双电层电荷存储机制的影响，其较低的电化学容量在高性能电极材料中的应用受到限制。因此，对生物质多孔碳进行功能化设计提高比容量成为突破其应用瓶颈的关键，常用的方法包括调控生物质多孔碳的比表面积和孔结构、杂原子掺杂或表面修饰、与赝电容材料复合等。其中与赝电容材料复合策略是提升生物质碳基材料电容性能的有效手段，但由于二者之间相互作用较弱，使得多孔碳@赝电容材料复合体系结构缺乏稳定性，表现出令人难以满意的循环稳定性和倍率性能。本工作对小麦秸秆衍生多孔碳在调控微观结构的基础上进行表面修饰，结合不同类型的氧化还原活性物质，探究碳材料与氧化还原活性物质之间增强的相互作用对于复合材料电化学性能的影响。主要研究内容和结论如下： （1）以小麦秸秆为前驱体，以KOH为活化剂，通过控制碱碳比（1∶1,2∶1,3∶1），制备出具有高比表面积和分级孔道结构的生物质多孔碳（WS-2）。其次利用制备的生物质多孔碳，以乙二胺为氨基化试剂，通过水热反应合成氨基化多孔碳（FWS）。研究结果表明：表面氨基化修饰并没有破坏生物质多孔碳的孔结构和比表面积，FWS的表面润湿性得到明显改善。WS和FWS在酸性和碱性电解液中均表现出良好的双电层电容性能，FWS的性能略优于WS，其在2MKOH电解液中具有287.1Fg-1的比电容（1Ag-1），10Ag-1时倍率性能为75.9%，在1MH2SO4电解液中的比电容为253.5Fg-1，10Ag-1时倍率性能为78.1%。 （2）以FWS为工作电极，利用恒电位吸附法将具有赝电容特性的Ni2+吸附于氨基化多孔碳上得到FWS@Ni2+复合材料。研究结果表明：由于FWS表面丰富的含氮官能团对Ni2+的配位络合作用，其对Ni2+的吸附容量明显高于WS，FWS@Ni2+复合电极材料的电化学性能均优于未氨基化多孔碳吸附Ni2+的电极材料（WS@Ni2+）。优化的FWS@Ni2+-300复合电极材料在1Ag-1时的比电容为512.8Fg-1，10Ag-1时的电容保持率为53.7%，在5Ag-1时经过5000次充放电循环后电容保持率为76.5%。 （3）利用FWS表面丰富的氨基官能团，将氧化还原活性有机物2,6-二氨基蒽醌（DAQ）通过强氢键作用锚定在FWS上，DAQ@FWS复合材料在1MH2SO4电解液中展现出优异的电化学性能。当DAQ与FWS质量比为0.5:1时，复合材料在1Ag-1时的比电容为424.9Fg-1，当电流密度增加到30Ag-1时，DAQ@FWS依然拥有300.4Fg-1的比电容，在电流密度为10Ag-1下，10,000次充放电循环后电容保持率为93.1%。通过第一性原理计算得到DAQ@FWS（Eads=-1.66eV）相比于DAQ@WS体系（Eads=-0.31eV）具有更低的吸附能和更小的带隙，表明DAQ@FWS有更好的电化学稳定性和离子/电子传输动力学。以DAQ@FWS为电极组装的对称超级电容器具有较高的能量密度（36.4Whkg-1）和功率密度（7001Wkg-1），循环10,000圈后电容保持率为88.3%。 （4）利用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对生物质多孔碳表面改性，通过强静电吸附作用将表面带负电荷的SDS修饰多孔碳（SWS）与具有氧化还原活性的阳离子染料分子天青A（AA）相结合得到复合电极材料（AA@SWS）。结果显示：天青A分子与SWS之间增强的静电吸附和孔内限域作用明显改善了电极材料的电化学稳定性。AA@SWS复合材料在碱性和酸性电解液中均表现出良好的电化学性能，在2MKOH中，1Ag-1时的比电容为557.9Fg-1，是SWS（289.3Fg-1）的1.9倍。当电流密度增加至30Ag-1时，电容保持率为70.4%，在10Ag-1下充放电循环12,000圈后容量保持率为92.4%，密度泛函理论计算证明了SWS与AA之间增强的相互作用。以AA@SWS为电极组装的对称超级电容器展现出良好的能量密度（32.1Whkg-1）、功率密度（6500Wkg-1）和持久的循环稳定性（10,000圈后电容保持88.9%）。 收起