自模板法构建高电容性能生物质基分级结构多孔炭及其形成机制研究

Based on the source and organizational structure advantages of biomass raw materials, this project proposes a new idea based on self-template method to construct high-capacitive biomass-based hierarchical porous carbon. According to the unique tissue structure characteristics of different kinds of biomass, the structure of the biomass was fixed by controlling preparation methods and conditions, and the pores were prepared on the three-dimensional skeleton structure of the biomass by activated carbonization. A series of hierarchical porous carbon materials with controlled pore structure, high specific surface area and high degree of graphitization was obtained. At the same time, the structure-activity relationship between the structural properties of biomass materials and their preparation conditions was discussed, and a controllable implementation scheme was established. The formation mechanism of porous carbon from the template biomass-based hierarchical structure and the influence mechanism of the structure of the biomass itself on the preparation process of the hierarchical structure porous carbon are deeply analyzed, and the application performance of the preparation system is evaluated in detail. The obtained porous carbon can be used as electrode materials for supercapacitors with high-rate performance, high energy density and low cost. The project is expected to establish a typical method and theory for the preparation of hierarchically structured porous carbon based on the structure of biomass itself. The research results have important guiding significance for the expansion of the preparation method of hierarchical structure porous carbon and the improvement of the performance of new energy storage devices.

本项目利用生物质原料的来源和组织结构优势，提出了一种基于自模板法构建高电容性能生物质基分级结构多孔炭的新思路。研究根据不同种类生物质本身独特的组织结构特性，调控制备方法和条件，有针对的固定保留生物质本身的微导管结构，并通过活化碳化的方法在生物质的三维骨架结构上造孔，制备一系列具有可控的孔隙结构、高比表面积和高石墨化程度的分级结构多孔碳材料，同时探讨生物质原料结构特性与其制备条件之间的构效关系，确立可控的实施方案。深入剖析自模板生物质基分级结构多孔炭的形成机制，以及生物质本身结构对分级结构多孔炭制备过程的影响机制，并对制备体系的应用性能进行详细评价，制得的多孔炭可作为高倍率性能和高能量密度且成本低廉的超级电容器的电极材料。项目预期建立基于生物质本身结构为模板制备分级结构多孔炭的典型方法和理论，研究成果对于分级结构多孔炭制备方法的拓展和新型储能器件性能的提高具有重要的指导意义。

以生物质废弃物为原料开发结构和性能可控的高性能多孔材料，不仅可以节约成本，而且可以缓解因大量焚烧废弃生物质而引起的环境污染问题，实现生物质废弃物的高值化利用。开发生物质的独特结构作为模板，有利于促进生物质的商业应用基于模板的分层多孔碳材料。本项目利用生物质原料的来源和组织结构优势，提出了一种基于自模板法构建高电容性能生物质基分级结构多孔炭的新思路。研究选取不同的生物质原料（白千层树皮、灵芝药渣、甘蔗渣和木素糠醛渣），根据不同种类生物质本身独特的组织结构特性，调控制备方法和条件，采用低温炭化的方法固定保留生物质本身的微导管结构，并通过活化碳化的方法在生物质的三维骨架结构上造孔，制备一系列具有可控的孔隙结构、高比表面积和高石墨化程度的分级结构多孔碳材料，同时探讨生物质原料结构特性与其制备条件之间的构效关系。深入剖析自模板生物质基分级结构多孔炭的形成机制，以及生物质本身结构对分级结构多孔炭制备过程的影响机制，并对制备体系的应用性能进行详细评价，制得的多孔炭可作为高倍率性能和高能量密度且成本低廉的超级电容器的电极材料。制备的自模板多孔炭具有高比表面积，丰富的含氧官能团及良好的导电性和浸润性。由于自模板分级结构多孔炭中同时存在天然和合成的分级多孔结构，使其作为超级电容器电极材料时，具有超高的比电容和良好的倍率性能，得到的电容装置具有优异的能量密度和循环稳定性。项目建立基于生物质本身结构为模板制备分级结构多孔炭的典型方法和理论，研究成果对于分级结构多孔炭制备方法的拓展和新型储能器件性能的提高具有重要的指导意义。