超级电容器是一种能量密度介于化学电池和传统电容器之间的储能器件,因充电时间短,放电功率大以及超长的循环使用寿命等诸多优点,被认为是具有可部分甚至全部替代化学电池使用的潜力,对能源供应以及环境保护的意义十分重大。目前,超级电容器的发展依然受到低的能量密度的限制,而制备拥有更高能量密度的电极材料将是超级电容器发展的一个突破点。随着科研工作者对超级电容器研究的深入,发现更好的形貌结构与孔径分布可显著提高电极材料的性能。本课题中,以微观结构复杂多样的生物质为原材料,利用生物质的自身结构特色来设计制备具有一定三维结构的多孔碳材料,并对其进行一系列的表征实验以及电化学性能测试,得到了一批结构稳定且性能优异的多孔碳材料,为生物质基碳材料的高效开发利用提供模型和指导,为其在超级电容器等能量存储领域的应用提供科学依据和技术支撑。主要的工作概括如下:1、用芋头表皮为原材料,利用低温碳化技术保留其自身具备的植物细胞壁结构,成功制备出富有特色的芋头皮基细胞壁框架结构多孔碳材料。通过对材料的表征测试以及电化学性能研究发现细胞壁框架结构具有良好的电解液运输环境,相比如传统的微孔碳材料,具有内部阻力小,充放电效率高,微孔利用率大等优点。在电化学测试中,材料表现出极其优异的超电容性能,在三电极体系中,以6 mol L^-1 KOH为电解液,1 A g^-1的电流密度下获得了466.5 F g^-1的超高比电容;并且在10 A g^-1的电流密度下循环4万圈电容没有衰减的超长循环使用寿命。2、用富含氮元素的山药表皮为原材料,制备出山药皮基氮掺杂细胞壁框架结构多孔碳材料。依然是利用低温碳化技术保留山药皮自身具备的植物细胞壁结构,成功制备出氮元素含量更高的山药皮基细胞壁框架结构氮掺杂多孔碳材料,并对材料进行了表征测试以及电化学性能研究。研究发现,细胞壁框架结构所带来的良好的电解液流通系统的优势依然相当明显,并且山药皮自身的含氮量更高使得制备出的碳材料拥有更高的氮掺杂水平。该材料在超级电容器性能研究中表现出色,在水系两电极装置中,在1 A g^-1的电流密度下获得了23.2 Wh kg^-1的高能量密度。3、利用CaCl₂高温剥离活化诱导丝素蛋白纤维转化为碳纳米片,跟以往合成得到的蛋白质基碳材料的松软、结构不稳定相比,合成得到的碳纳米片结构稳定,并具有一定三维形貌,展现出良好的电化学性能。通过各阶段产物的扫描电镜图片来分析由蚕茧到纳米片碳材料的转换过程。利用Na₂CO₃将蚕茧表层丝胶脱去,裸露出内部的丝素蛋白呈现出纤维状。利用浸泡法使CaCl₂溶液与脱胶蚕丝接触充分,并在加热时对其溶解,后高温共热制备出再生的蚕丝蛋白基碳纳米片材料。该材料拥有交错互通的空间结构,且结构具有普遍性,分布均匀;绿色活化方法使得杂原子得到最大的保留,并且过程中不产生对环境危害的副产物,对设备要求更低;该材料在730 m²g^-1的比表面积下获得了246 F g^-1的比电容,具有很可观的发展前景。