不断增长的能源消耗和伴随的环境危机引发了对清洁、先进及可再生能源储存系统的迫切需求。超级电容器在过去几十年中已经引起了工业界和学术界前所未有的关注,主要是因为其超高的功率密度(¹0 kW kg^-1),快速的充电/放电速率,长的循环寿命（>10万次循环）,低的运行/维护成本和安全的操作环境。得益其快速的吸附/解吸附能量存储机制,超级电容器大大填补了可充电电池和传统电容器之间的能量差距,具有比电池更大的功率密度和比传统电容器更高的能量密度。尽管超级电容器有许多优点,但相对低的能量密度仍然阻碍了其进一步应用。由于结构多样和化学稳定性好,碳材料在超级电容器领域占据着至关重要的地位。然而,对于传统的碳材料来说,不可再生的前驱体、高腐蚀性试剂、复杂的制备工艺和高成本阻碍了其进一步大规模生产和应用。可再生生物质及其衍生物具有易得、来源广泛、成本低且环境友好等优点,是制备杂原子掺杂分级多孔碳的理想驱前体。因此,本文选择将生物质材料作为前驱体,经过简单的活化造孔,得到了一系列高性能的生物质基碳材料,系统研究了材料的孔结构、比表面积、杂原子官能团对电化学性能的影响。研究内容及结果如下:1、利用富含蛋白质的猪蹄甲作为前驱体,通过化学活化和高温热解合成了氮掺杂分级多孔碳,研究了活化剂（KOH）用量对材料的微观形貌和电化学特性的影响。最优的KOH和碳材料的重量比为1:1（NHPC-1）。NHPC-1展现出高比表面积(2569 m² g^-1)的三维多孔网络结构,这有利于离子/电子的快速传输。此外,NHPC-1的含氮官能团（2.8 at.%）也有助于改善电化学活性。NHPC-1在1 A g^-1下显示出231 F g^-1的高比电容,在5000次循环后仍保持有98%的容量。以NHPC-1为电极组装的对称装电容器在功率密度为500 W kg^-1时具有7 Wh kg^-1的高能量密度。2、以猪皮为碳源,通过简单的活化/热解方法制备了氮掺杂的分级多孔碳（PNPC）。由于胶原蛋白,弹性蛋白和网状纤维的存在,经过活化和高温碳化后,该材料具有开放的离子可接触通道,在1 A g^-1时具有287.1 F g^-1的比容量,并且在10000次循环后具有99.0%的电容保持率。值得注意的是,使用EMIMBF₄离子液体电解液组装的PNPC基对称电容器在功率密度为875.0 W kg^-1时显示出43.0 Wh kg^-1的高能量密度。3、采用KOH活化大豆渣制备了氮掺杂分级多孔碳,同时研究了热解温度对材料微观结构与电容性能的影响。当在800 ^oC碳化时,制备的碳材料显示出高的比表面积(1837.26 m² g^-1)和高含量的微孔(0.71 cm³ g^-1),这有利于大规模离子的存储和高速的离子传输。此外,高含量的氮（1.58 at.%）可以在电化学反应过程中诱导法拉第赝电容的产生。所获得的碳材料在1 A g^-1下显示出321.1 F g^-1的优异比容量,在30 A g^-1下仍具有249.7 F g^-1的高比容量。值得注意的是,在使用EMIMBF₄电解液的二电极系统中,在功率密度为875.0 W k g^-1时,能量密度可高达22.1 Wh kg^-1。4、掺杂杂原子的分级多孔碳材料具有比表面积高、孔隙率丰富和制备成本低等优点,但是较差的导电率导致其不能完全满足超级电容器综合应用的要求。为了改善多孔碳的导电性,将碳纳米管（CNT）嵌入到氮掺杂分级多孔碳（NOPC）中以获得全碳纳米复合材料。该复合材料（NOPC/CNT）具有高导电性和分级多孔结构,且含有丰富的杂原子官能团,故显示出优异的电化学性能。在1 A g^-1的电流密度下,NOPC/CNT具有293.1 F g^-1的优异比电容;即使在30 A g^-1时,材料的比电容也保持在初始容量的70.62%(207.0 F g^-1)。此外,以该材料组装的对称超级电容器在874.98 W kg^-1的功率密度下显示出27.46 Wh kg^-1的高能量密度。