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超级电容器因其功率密度高,比容量大以及循环寿命长等特性被认为是最具应用前景的储能器件之一。超级电容器电极材料制备技术是超级电容器应用的关键步骤。目前超级电容器主要研究的电极材料有碳基材料,金属氧化物和导电聚合物等。由于碳基材料相较于其他材料有着成本低,制备简单和稳定性高的优势而备受关注。因此,近年来许多研究者致力于探寻低成本高性能碳基材料用于超级电容器。本研究采用了目前的研究热点材料——金属有机框架(MOFs)功能化细菌纤维素衍生的多孔碳基材料,采用杂原子(如氮,氧)掺杂的方式来提高碳基材料的超级电容器性能,并对其形貌、化学组成、结构和器件构建方式以及电化学性能等方面进行详细且完整的分析和测试。具体内容如下:(1)以细菌纤维素为自模板剂,ZIF-8为储能节点,通过共组装合成ZIF-8/细菌纤维素的复合物,然后在高温条件下碳化形成氮掺杂多孔的碳气凝胶材料(NCNF)。该材料能够具有良好的机械强度,可以作为自支撑碳基电极材料用于超级电容器。测试结果表明氮掺杂多孔碳气凝胶材料在0.5 A/g的电流密度下,NCNF电极的质量比电容为224F/g,面积比电容为612 m F/cm~2;在10 A/g的大电流密度下,NCNF电极的质量比电容为149 F/g,面积比电容为408 m F/cm~2;即当电流密度扩大20倍,NCNF电极的容量保持率为67%。同时,电极片的长期循环性能也保持良好,在5 A/g的电流密度下,循环10000圈后还有97%的保持率。进一步,以两片相同的NCNF2-900电极材料和PVA凝胶电解质组成对称固态超级电容器器件,随后经过静置一段时间,再对其进行超级电容器性能测试。测试结果表明,所组装的器件具有较好的电化学性能。在0.25 A/g的电流密度下表现出41.1 F/g的质量的比电容,器件的体积比电容为2.5 F/cm~3;在5 A/g的电流密度下表现出20 F/g的质量的比电容,器件的体积比电容为1.3 F/cm~3;即电流密度扩大20倍,器件保持52%的比容量。在电流密度为2.5 A/g的测试条件下,经过5000圈长循环后,器件保持91%的初始比容量,表明该气凝胶碳基材料(NCNF)具有优异的循环性能。(2)以MOF-74作为碳源和氧源,金属锌(Zn)作为造孔剂,尿素作为表面活性剂,制备由纳米棒状组成类海胆状的微米球,其具有较大的比表面积、氧元素自掺杂和三维的结构。所制备的材料的比表面积高达2249 m~2/g,O的含量为5.01at%。并将其作为碳基超级电容器的电极材料时,能够表现出287 F/g的质量比电容(电流密度为0.5 A/g),在50 A/g的高电流密度下,该电极材料还有165 F/g的质量比电容。即电流密度扩大100倍,容量保持率为58%。电极片在20 A/g的电流密度下循环10000圈,电容保持率为98%。在功率密度为250 W/kg条件下,电极的能量密度为39.86 Wh/kg。