超级电容器是一种近年来快速发展的新型储能器件,它兼具传统电容器功率密度大和可充电电池能量密度高的优点。与其他储能设备相比,超级电容器还具有循环寿命长、充放电速率快、库伦效率高等特点,被认为是当前最具应用前景的电化学储能技术之一。生物质是自然界中唯一可再生的含碳资源,具有产量丰富、来源广泛、可降解再生、价格低廉等优势。以生物质为原料制备储能性质优异的超级电容器电极材料不仅可以显著降低生产成本,而且可以实现碳资源的可持续利用,具有极大的发展潜力和实际应用价值。基于此,本文以高性能超级电容器的构筑为导向,以生物质基电极材料为研究对象,围绕新型多孔碳和纤维状柔性可穿戴电极的可控构筑与应用开展了一系列研究,具体内容如下:1、以纤维素为原料,开发出一种基于‘低温溶解-冷冻干燥-高温碳化’三位一体的制备高性能氮掺杂（NHPC）或氮-硫共掺杂（NSHPC）型分级多孔碳材料的新方法。该方法将纤维素在低温下溶解于氢氧化钠-尿素-水（7:12:81）或氢氧化钠-硫脲-水（9.5:4.5:86）体系,通过冷冻干燥使前驱体（纤维素）、活化剂（氢氧化钠）和掺杂剂（尿素或硫脲）均匀混合,从而提升了碳化过程中活化与掺杂效果。其中,所获NHPC的比表面积高达2245 m2 g-1,内含丰富的大孔、介孔和微孔结构,平均孔径为2.83 nm,氮元素含量为3%。电化学测试结果表明,在0.5 A g-1时,所获NHPC的比电容达到300 F g-1,是迄今为止已报道的纤维素衍生多孔碳基电极的最高值。样品NSHPC在0.5 A g-1时的比电容为288F g-1,也具有明显的性能优势。基于NHPC和Na2SO4电解液构建的对称型超级电容器在功率密度452 W kg-1时,能量密度高达17.2 Wh kg-1。同时,此器件也展现出优异的倍率性能和循环稳定性。与其他制备方法相比,本合成方法不仅简单、绿色、经济性强,而且所制备的NHPC和NSHPC在三电极体系和两电极器件中均展现出卓越的电化学储能性质,具有显著的推广应用价值。2、以缫丝废料-丝胶蛋白为碳源和氮源,经‘预碳化’和‘氢氧化钾活化’两步法成功制备了具有优异储能性质的氮掺杂型分级多孔碳材料（SNHPC-1,-2,-3）。着重地研究了氢氧化钾用量和活化温度对产物结构和电容性质的影响。在最优条件下制备的SNHPC-2比表面积和孔体积分别为2723 m2 g-1和1.42 cm3 g-1。在0.5 A g-1时,样品SNHPC-2的比电容达到287 F g-1,明显优于目前已经报道的大多数生物质衍生多孔碳电极。当电流密度提高至10 A g-1时,SNHPC-2电极的比电容仍维持较高水平(213 F g-1),显示出良好的倍率性能。稳定性测试结果表明,经10000次充放电循环后,SNHPC-2电极的电容保持率为93%。此外,基于SNHPC-2组装的对称型超级电容器在电流密度0.5 A g-1时的比电容为46 F g-1,对应能量密度为6.4 Wh kg-1。SNHPC-2良好的电容性质主要源于其超高的比表面积、合理的孔径分布以及适宜的元素掺杂间的协同作用效果。本研究不仅为处理丝胶废水污染、实现废弃蛋白质的高附加值利用提供了新途径,也为廉价、高性能多孔碳基电极的制备提供了新思路。3、创新性地将金属有机框架材料（ZIF-8）修饰在天然椴木的孔道内部,经碳化后构建出一种拥有结构开放、分级多孔、低曲率、三维自支撑等特点的新型厚片状碳质电极（NPCM-X,X=700、800或900）。在5 m A cm-2时,NPCM-900的最大面积比电容达到23.7 F cm-2,为迄今为止已报道的木材基自支撑型碳质电极的最高值。所组装的NPCM-900//NPCM-900对称型超级电容器在功率密度24.9W m-2时的能量密度高达9.3 Wh m-2,经5000次充放电循环后的电容损失率仅为13%。NPCM-900出色的电化学储能性质主要源于以下两个方面:（1）ZIF-8修饰极大地提升了电极的比表面积,从而为电解液离子吸附-脱附提供了更多的活性位点;（2）木材自身的结构特点促进了高效的电流收集和快速的离子传输。本实验制备的NPCM-X比表面积高、结构完整性好,在水污染治理、生物成像、化学传感等领域也有潜在的应用前景。4、以蚕丝为柔性、可拉伸基底,结合静电相互作用和原位聚合法制作了聚苯胺-碳纳米管-蚕丝三元复合电极（PANI@F-MWCNT@Silk）。该蚕丝基电极包含13 wt%碳纳米管、16 wt%聚苯胺以及71 wt%蚕丝蛋白,最大断裂强度和断裂伸长率分别为225 MPa和33%,同时具有95.5 mF cm-2的高面积比电容和63.7 F cm-3的超高体积比电容,显著优于目前已报道的聚酯纤维基电极,甚至可以与许多金属或碳质纤维基电极相媲美。PANI@F-MWCNT@Silk优异的电容性质主要是源于其独特的结构特点,中间碳纳米管层出色的导电性保证了电子在电极内部能够快速的传输和转运,同时外层聚苯胺在碳纳米管层的辅助下可以发生更为充分的氧化还原反应。以PANI@F-MWCNT@Silk为工作电极,PVA/H3PO4凝胶做粘合剂和电解液,开发出一种具有平行线结构的纤维状超级电容器（PFSS）。该器件的最大面积和体积比能量密度分别为1.2 m Wh m-2和81.8 Wh m-3。受益于蚕丝卓越的力学性能,器件PFSS即使在受20%拉伸情况下的电容保持率仍超过80%,依然具有理想的赝电容特性和快速发生氧化还原反应的能力。本研究思路在国内外尚属首次报道,为经济、绿色、产业化开发高性能纤维状电极和储能器件提供了实验依据和借鉴。5、以蚕丝基电极PPy-MWCNTs-silk为正极、中空石墨烯管（HGT-4）为负极,PVA/H2SO4凝胶为电解液,创新性地构建出一种具有‘芯-鞘’特殊结构的非对称型全固态纤维状超级电容器（AFSSCs-ICS）。与传统平行线或缠绕型构造相比,此插入型‘同轴’结构最大限度的扩大了正极-电解质-负极间的有效接触面积,同时避免了‘芯’正极暴露于外界环境。在三电极体系中,PPy-MWCNTs-silk的最大长度、面积和体积比电容分别为15.3 mF cm-1、676.9 mF cm-2和376.3 F cm-3,明显优于绝大多数已经报道的纺织纤维基电极。在电流为0.1 m A时,负极HGT-4的长度比电容为19.1 mF cm-1。受益于非对称型电极设计、独特的‘芯-鞘’结构以及PPy-MWCNTs-silk正极和HGT-4负极间理想的电量匹配,器件AFSSCs-ICS的电压窗口可以拓宽至1.6 V,并实现高达2.3 mF cm-1和0.8μWh cm-1的超高长度比电容和比能量密度。除此之外,AFSSCs-ICS也展现出优异的机械性能和循环稳定性:在0～150°弯曲情况下,AFSSCs-ICS的电容保持率在95～105%范围内保持相对稳定;经5000次充放电循环后,其电容保持率约为81%。