【摘 要】
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本文从影响电极性能的两大因素（电极材料与电极结构）出发,集夹层结构和木陶瓷二者的优点,以林产资源为原材料,制备结构稳定、循环寿命长并且电化学性能良好的夹层结构木陶瓷块状电极。在此基础上,采用钴掺杂、镍催化生长碳纳米管、电沉积MnO2等方法进一步改善夹层结构木陶瓷的电化学性能,并对其进行表征及性能测试。本文主要研究内容如下:（1）将樱桃木刨切薄木和松针碳粉分别用作外覆层和芯层、Co（NO3）2·6H
【基金项目】
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竹基叠层结构木陶瓷多维孔隙的碳纳米管协同构筑与高密度储能机制（批准号:32071851）,国家自然科学基金面上项目； 木质素基石墨烯序列组装木材陶瓷的可控制备及储能机理研究（批准号:31670572）,国家自然科学基金面上项目；
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本文从影响电极性能的两大因素（电极材料与电极结构）出发,集夹层结构和木陶瓷二者的优点,以林产资源为原材料,制备结构稳定、循环寿命长并且电化学性能良好的夹层结构木陶瓷块状电极。在此基础上,采用钴掺杂、镍催化生长碳纳米管、电沉积MnO2等方法进一步改善夹层结构木陶瓷的电化学性能,并对其进行表征及性能测试。本文主要研究内容如下:（1）将樱桃木刨切薄木和松针碳粉分别用作外覆层和芯层、Co（NO3）2·6H2O作为催化剂和掺杂剂,制备了钴掺杂的夹层结构木陶瓷复合电极。SEM结果显示外覆层和芯层都保留了原材料天然的孔道,二者共同构筑了三维网络结构。TEM结果表明,Co纳米颗粒被石墨化碳包裹,可降低电解液的腐蚀而有利于延长电极的使用寿命。由XRD和XPS分析发现,Co2+经过一系列反应后主要以单质钴的形式存在。电化学测试表明,在0.1 A·g-1的电流密度下,WE-C/Co-0.5/1的比电容高达319 F·g-1,经过15000次循环后,电容保持率为98.7%。当能量密度为33.86 Wh·kg-1时,功率密度为100 W·kg-1。这表明所制备的夹层结构木陶瓷电极具有高循环稳定性及良好的实际应用潜力。（2）以旋切竹薄木为外覆层、竹纤维为芯层,在酚醛树脂的粘结作用下制备夹层结构木陶瓷。并以此作为结构模板,通过Ni（NO3）2·6H2O高温催化裂解酚醛树脂,生长对电化学性能有利的碳纳米管（CNTs）,并探究热解温度及催化剂用量对CNTs生长情况的影响。通过SEM分析对比,发现在烧结温度为1000℃、催化剂用量为酚醛树脂质量的3%时CNTs具有良好的生长状态。孔径测试表明,原位生长的CNTs有助于提高复合材料的比表面积,并改善孔结构。CNTs生长质量较好的Ni/WC-1000-3%,在0.1 A·g-1电流密度下比容量为152.5 F·g-1,经过5000次恒流充放电后,比电容仍可保持在97.9%。（3）以第三章的木基夹层结构木陶瓷和第四章的竹基夹层结构木陶瓷为基材,利用恒电流法电沉积负载MnO2,同时通过正交实验优化二者的比电容,并应用于超级电容器。SEM分析结果表明恒电流法沉积所得的MnP2呈球状颗粒均匀覆盖在基体表面,且MnO2颗粒间有一定的间隙,这有利于电解液离子传输。WE-C/Co-0.5/1在最佳沉积条件下（沉积时间:76 min、电流密度:0.8 A·h-1、沉积液温度:55℃）制备的复合电极MnO2/Co-WC在0.1 A·g-1的电流密度下比电容为371.304 F·g-1,能量密度和功率密度分别为38.96 Wh·kg-1和100 W·kg-1;Ni/WC-1000-3%在最佳沉积条件下（沉积时间:56 min、电流密度:0.5 A·g-1、沉积液温度:55℃）制备的MnO2/Ni-WC在0.1 A·g-1的电流密度下比电容为363.02 F·g-1,能量密度和功率密度分别为37.88 Wh·kg-1和100.53 W·kg-1。该优异的电化学性能得益于夹层结构木陶瓷和MnO2的协同作用。将二者分别组装成电容器后串联可点亮LED灯,说明了MnO2/夹层结构木陶瓷块状电极具有实际应用价值。以上结果表明,以夹层结构木陶瓷作为超级电容器电极材料时显现出广阔的应用前景。为低成本、高性能的生物质炭电极材料的制备提供了一个新的思路。
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