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随着经济的发展,能源危机越发明显。开发可再生清洁绿色能源成为了缓解当下能源危机的一个重要的途径,这就需要高效稳定的储能设备来实现。超级电容器是一种新型的储能设备,它具有充放电速度快、稳定性好、功率密度大等特点。目前,碳材料是应用最为广泛的超级电容器电极材料。碳材料的种类繁多,诸如石墨烯和碳纳米管等,但因为其昂贵的造价和产量低等问题很难实现产业化生产。而生物质资源具有产量丰富、可再生和价格低廉等优点,是一种理想的制备超级电容器电极材料的资源。但其依旧存在一些问题,比如缺乏介孔和大孔结构、元素构成过于单一,很多生物质材料没有独特的结构形貌等等。因此往往以具有高比表面积和复杂元素组成的生物质材料为研究对象,而对于比表面积很小且元素组成单一的生物质材料研究较少。本论文针对以上问题,以比表面积较小、元素组成单一的天然生物质材料为原材料（农林废弃物和天然木材）,制备了多种高性能的具有特殊结构特征的生物质基多孔碳材料和具有生物质天然结构的电极材料,重点了研究生物质基电极材料的新型绿色制备途径及其在超级电容器中的应用与开发,具体内容如下:1.以林业废弃物杨木木粉为原材料,通过一步水热法制备出了具有规则球形形貌的水热碳（HTC）,并以此为前驱体,采用CO2/H2O混合气体为活化剂制备出了具有微孔和介孔结构的多孔碳电极材料。与参照组对比,经过活化后的电极材料的比表面积和孔容有明显的提升,分别为56.46 m~2g-1和0.0393 cm~3g-1。在电流密度为1 A g-1的条件下,测试出电极材料的比电容为146.34 F g-1,相对参照组比电容提升了50%,并且表现出了良好的库伦效率、倍率性能和循环稳定性。将所制备的电极材料组装成纽扣式对称型超级电容器CH-HTC-850//CH-HTC-850,其最高能量密度为5.1 Wh kg-1,最大功率密度为4900 W kg-1,表现出了优异的储能特性。该方法没有使用任何化学试剂,制备过程绿色环保无污染。但是其制造的出的孔隙大多为微孔,而介孔和大孔数量很少,因此总体的孔隙率并没有得到很大提升,所得电极材料的比电容提升有限。2.针对以CO2/H2O混合气体为活化剂的物理活化法造孔率低的问题,本研究采用了硬模板法,以纳米二氧化硅为模板剂,以林业废弃物杨木木粉为碳源,制备出了一种具有微孔-介孔-大孔多级孔道结构的球形碳电极材料。同时,为了增加电极材料的比电容,以L-半胱氨酸为供体,成功掺杂了N、S杂原子。最终产物的比表面积和孔容得到了很大提升(88.46 m~2g-1,0.2312 cm~3g-1),效果明显优于以CO2/H2O混合气体为活化剂的物理活化法(56.46 m~2g-1,0.0393 cm~3g-1)。同时所得电极材料表面含有各种活性官能团,如-NH2、-SH、-NO2和-SO2等等。从三电极测试电化学性能结果得出,N和S杂原子的嵌入不仅为电极材料提供了一部分赝电容,同时还有效降低了碳材料自身的内阻。由于材料自身具有微孔-介孔-大孔的多级孔道结构,有利于电解液离子的吸附、传输和储存,展现出了优异的电化学性能。在1 A g-1的电流密度下,比电容达到183.66 F g-1,远高于CO2/H2O混合气体活化法所制备的电极材料(146.34 F g-1)。组装成的对称型超级电容器N/S-HTCs//N/S-HTCs经测试其最高能量密度为8.0 Wh kg-1,最大功率密度为5030 W kg-1,表现出了优异的储能特性。3.针对缺乏独特天然结构和元素单一的生物质资源开发利用少的问题,以农业废弃物阿拉比卡咖啡豆的咖啡渣为原材料制备出了一种具有大量微孔-介孔的镂空球型多孔碳电极材料。由于咖啡渣是一种难热解的无定型碳材料,在正常条件下很难发生形貌变化。为了克服这一难题,本研究采用真空浸渍氢氧化钠的方式,通过一步水热法成功制备出了具有规则球形形貌的咖啡渣基水热碳,并以此为前驱体选用氯化锌为活化剂,经过高温活化后制备出一种理想的以双电层电容为主的具有大量微孔-介孔的镂空球型碳电极材料。在电流密度为0.5 A g-1的条件下,测试出电极材料的比电容为191.32 F g-1,相对参照组而言比电容提升了150%,并且表现出了良好的倍率性能和循环稳定性。所得电极材料可以以硫酸钠溶液为电解液,组装后的Zn-COFs//Zn-COFs超级电容器能够在0～2.0 V的宽工作电压下进行充放电,在功率密度为461 W kg-1时,其能量密度达到最大值17.4 Wh kg-1,而其最高的功率密度可达到9130 W kg-1,远高于大部分碳材料所制备的电极材料。但是,该方法所制得的碳电极材料库伦效率较低,仅有79%,而且制备过程复杂、耗能多,所用活化剂挥发性和腐蚀性极强,极易对设备和环境造成破坏。4.针对Zn Cl2活化法制备咖啡渣基镂空球型电极材料的腐蚀性强、库伦效率低、工艺复杂和耗能多的问题,本研究使用Co（NO3）2和Ni（NO3）2对咖啡渣进行了预处理,然后以KOH为活化剂对预处理后的咖啡渣进行高温活化,制得了一种具有微孔-介孔-大孔多级孔道互联的泡沫状电极材料,且材料本身具有超低内阻（0.31 ohm）。该方法工艺过程简单、耗能较少。通过Co2+和Ni2+的催化作用,活化后的材料具有较为有序的晶格结构,因而内阻变得很小,导电性增加。KOH具有很强的造孔功能,是一种优秀的活化剂,最终产物的多级孔道互联结构主要归因于KOH的活化功能,但同时随着KOH使用量的增加,材料的石墨化程度也会降低。在1 A g-1的电流密度下测得CGC-2的比电容为302.65 F g-1,远高于Zn Cl2活化法制备出的咖啡渣基镂空球型电极材料(191.32 F g-1),这种孔道互联结构的材料不仅表现出了良好的倍率性能和循环稳定性,同时还有近乎100%的库伦效率。最终产物所表现出的高性能可归因于高度有序的分层多孔互联结构和高度石墨化,组装的CGC-1//CGC-1超级电容器的最高能量密度为6.4 Wh kg-1,最高功率密度为5050 W kg-1,表现出了优异的储能特性。5.为了充分利用生物质材料独特的天然孔道结构,以椴木为原材料,利用其本身各向异性的特点,通过两步碳化“自模板”的方法制备出了一种实木型全固态的具有天然木材结构特性的电极材料。其多尺寸垂直排列的纵向导管通道和横向的多级纹孔通道结构为电解液离子的存储和传输提供了便利。通过真空浸渍氢氧化钾溶液可以实现在纤维壁上进一步造孔的目的。通过与三聚氰胺的共掺杂,不仅引入了杂原子氮,提高了材料的电容性能,同时还增加了材料的尺寸稳定性。通过三电极系统测试其电化学性能,NKBW800表现出了良好的电容性能,主要表现在高比容量(8.47 F cm-2),高倍率性能（电容损失率仅有14.7%）和高循环稳定性（5000次充放电循环后,比电容仍保持在94.2%）。通过组装简易的对称型超级电容器并测试其储能性能得出其具有较高的能量密度(最高8.6 Wh m-2)和高能功率密度(最高243 W m-2)。这些条件为其成为对称型或混合型超级电容器电极（负极）材料创造了理论上的可能性。