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随着化石能源的日益减少和环境问题的日趋严重，新的清洁能源获得了前所未有的发展机遇。能量的存储和转换是制约新能源产业发展的技术瓶颈，超级电容器作为能源存储和转换设备受到人们的广泛关注。炭材料是双电层超级电容器的首选电极材料，制浆工业的副产物——预水解液富含纤维素、半纤维和木素等有机组分，可为生物质基炭材料提供炭源。
本文首先以制浆预水解液为原料，利用温和、环保的水热炭化技术制备生物质基炭材料。炭材料的比电容与其比表面积密切相关，球型炭材料的单位体积具有的比表面积最大，为此，本文研究了不同水热炭化温度和水热炭化时间下预水解液炭球的形貌调控。结果表明，在水热炭化温度为250℃、水热炭化时间为6h条件下炭球的形貌最佳，合成了粒径尺寸在1-2μm的光滑球体。
为了进一步高效调控炭材料孔结构，提高比表面积来提高炭材料的电化学性能，本文选用金属有机物Ni-MOF、Ti-MOF、Co-MOF与预水解液液相掺杂制备金属-生物基炭材料，通过调控形貌、孔结构，增加活性位点来实现提高总电容的目的。
Ni-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Ni-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热工艺制备而成。结果表明，一步法和两步法制备的C1-Ni-MOF和C2-Ni-MOF形貌相似，都具有完整的炭球，炭球周围存在炭块和炭屑。经电化学测试，在1A/g时C1-Ni-MOF和C2-Ni-MOF的比电容仅为24.2F/g和42.9F/g，这可能是因为Ni的负载并没有对Ni-MOF/预水解液基炭的孔结构进行很好的调控，或是Ni的掺杂堵塞了炭的孔隙结构。
Ti-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Ti-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热工艺制备而成。结果表明，一步法和两步法制备的样品分别具有球形形貌和新型粗糙药片状形貌，两种样品的粒径尺寸均为1-2μm，样品中的钛是以锐钛矿相和金红石相的TiO2的形式存在，Ti-MOF（MIL-125）的掺杂修饰了炭材料的形貌和孔结构，经电化学测试，在0.5A/g时C1-MIL-125和C2-MIL-125的比电容为213.7F/g和215.4F/g。Ti-MOF的掺杂提高Ti-MOF/预水解液基炭储能性的同时还赋予了其强杀菌性。生物质炭能够抑制TiO2的光生空穴和光生电子复合，改变能带结构达到可见光响应范围，使Ti-MOF/预水解液基炭具有高效的可见光光催化灭菌效果。C1-MIL-125和C2-MIL-125在Xe灯下对大肠杆菌的去除率分别达到了99.00％和98.67％，这种在可见光下的高效杀菌作用主要是炭材料对细菌的吸附作用以及由TiO2所产生的光电子和电子空穴形成的活性氧协同作用的结果。
Co-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Co-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热杂化工艺制备而成。结果表明，不同的掺杂方法（一步法和两步法）有效的调控了炭材料的形貌和孔径结构，一步法和两步法制备的炭材料分别具有珊瑚状交联结构和蒲公英状中空结构。其中，C2-ZIF-67（两步法制备）的中空结构可以为粒子的收缩和膨胀提供足够的空间，低密度、大比表面积的长毛触手结构可以提供更多的活性位点和更大的电解质接触面积，缩短电子和电荷的传输路径。同时，掺杂的Co-MOF（1wt%）可通过氧化还原反应释放和存储活性电子自由电子，大幅度提高了炭材料的导电性。经电化学测试，两步法制备的Co-MOF/预水解液基炭材料C2-ZIF-67表现出优异的比电容（400F/g，0.5A/g）和稳定性（80%，2000次循环）。
为了进一步探索预水解液中分子量大小对超级电容器性能的影响，本文对预水解液进行了超滤浓缩处理，将不同浓缩比例所得的预水解液以上述电化学性能最优的Co-MOF/预水解液基炭（C2-ZIF-67,两步法制备）的反应条件进行制备，调控形貌结构，并讨论其形貌及孔结构对电化学性能的影响。结果表明，随着超滤浓缩程度的增加，所制备的炭材料的比表面积随之降低，材料的比电容也由C-1/3的336F/g逐渐降低到C-1/5的258F/g。炭材料之所以能应用于储能材料是因为其微孔结构和介孔结构的协同作用，微孔为传输离子提供存储空间，介孔为传输离子提供传输通道，超滤浓缩后大小分子的分离会对离子的孔道传输和能量存储限制。
本文首先以制浆预水解液为原料，利用温和、环保的水热炭化技术制备生物质基炭材料。炭材料的比电容与其比表面积密切相关，球型炭材料的单位体积具有的比表面积最大，为此，本文研究了不同水热炭化温度和水热炭化时间下预水解液炭球的形貌调控。结果表明，在水热炭化温度为250℃、水热炭化时间为6h条件下炭球的形貌最佳，合成了粒径尺寸在1-2μm的光滑球体。
为了进一步高效调控炭材料孔结构，提高比表面积来提高炭材料的电化学性能，本文选用金属有机物Ni-MOF、Ti-MOF、Co-MOF与预水解液液相掺杂制备金属-生物基炭材料，通过调控形貌、孔结构，增加活性位点来实现提高总电容的目的。
Ni-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Ni-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热工艺制备而成。结果表明，一步法和两步法制备的C1-Ni-MOF和C2-Ni-MOF形貌相似，都具有完整的炭球，炭球周围存在炭块和炭屑。经电化学测试，在1A/g时C1-Ni-MOF和C2-Ni-MOF的比电容仅为24.2F/g和42.9F/g，这可能是因为Ni的负载并没有对Ni-MOF/预水解液基炭的孔结构进行很好的调控，或是Ni的掺杂堵塞了炭的孔隙结构。
Ti-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Ti-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热工艺制备而成。结果表明，一步法和两步法制备的样品分别具有球形形貌和新型粗糙药片状形貌，两种样品的粒径尺寸均为1-2μm，样品中的钛是以锐钛矿相和金红石相的TiO2的形式存在，Ti-MOF（MIL-125）的掺杂修饰了炭材料的形貌和孔结构，经电化学测试，在0.5A/g时C1-MIL-125和C2-MIL-125的比电容为213.7F/g和215.4F/g。Ti-MOF的掺杂提高Ti-MOF/预水解液基炭储能性的同时还赋予了其强杀菌性。生物质炭能够抑制TiO2的光生空穴和光生电子复合，改变能带结构达到可见光响应范围，使Ti-MOF/预水解液基炭具有高效的可见光光催化灭菌效果。C1-MIL-125和C2-MIL-125在Xe灯下对大肠杆菌的去除率分别达到了99.00％和98.67％，这种在可见光下的高效杀菌作用主要是炭材料对细菌的吸附作用以及由TiO2所产生的光电子和电子空穴形成的活性氧协同作用的结果。
Co-MOF/预水解液基炭是以预水解液为生物质炭源，Co-MOF作为金属掺杂物，通过不同水热杂化工艺制备而成。结果表明，不同的掺杂方法（一步法和两步法）有效的调控了炭材料的形貌和孔径结构，一步法和两步法制备的炭材料分别具有珊瑚状交联结构和蒲公英状中空结构。其中，C2-ZIF-67（两步法制备）的中空结构可以为粒子的收缩和膨胀提供足够的空间，低密度、大比表面积的长毛触手结构可以提供更多的活性位点和更大的电解质接触面积，缩短电子和电荷的传输路径。同时，掺杂的Co-MOF（1wt%）可通过氧化还原反应释放和存储活性电子自由电子，大幅度提高了炭材料的导电性。经电化学测试，两步法制备的Co-MOF/预水解液基炭材料C2-ZIF-67表现出优异的比电容（400F/g，0.5A/g）和稳定性（80%，2000次循环）。
为了进一步探索预水解液中分子量大小对超级电容器性能的影响，本文对预水解液进行了超滤浓缩处理，将不同浓缩比例所得的预水解液以上述电化学性能最优的Co-MOF/预水解液基炭（C2-ZIF-67,两步法制备）的反应条件进行制备，调控形貌结构，并讨论其形貌及孔结构对电化学性能的影响。结果表明，随着超滤浓缩程度的增加，所制备的炭材料的比表面积随之降低，材料的比电容也由C-1/3的336F/g逐渐降低到C-1/5的258F/g。炭材料之所以能应用于储能材料是因为其微孔结构和介孔结构的协同作用，微孔为传输离子提供存储空间，介孔为传输离子提供传输通道，超滤浓缩后大小分子的分离会对离子的孔道传输和能量存储限制。