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在化石燃料的快速消耗以及环境污染加剧的窘境下,发展高效、清洁、可再生的能源转化与储存技术成为时代的迫切需求。超级电容器、氢氧燃料电池以及金属-空气电池作为其中的典型代表,成为了科研研究的热点。研究者通过采用农林废弃物、生物质来制备多孔活性炭,提供了一种低成本、来源广泛和废弃资源利用的有效途径。本论文选用柚子皮(Pomelo peel,PP)为碳源,KOH做活化剂提高材料比表面积,氮掺杂增加活性位点,金属(Fe/Co)在高温下催化作用提高炭材料石墨化程度,进一步提高炭材料的电化学性能。首先预处理后的柚子皮通过高温热解碳化制得柚子皮炭材料PC;经KOH活化热解,制得活性炭材料PAC,并探究了不同温度和不同活化剂比例制备的PAC的不同特征和电化学性能,选出最适的热解温度和活化比例制备更有效的炭材料;然后加入氨基葡萄糖氮源与三聚氰胺氮源制备的氮掺杂炭材料NPAC及其电容特性的研究;为了更加提高NPAC炭材料的功率特性,进一步研究了金属(Fe/Co)在高温下的催化作用,并探究材料的特性和电化学性能。通过对四类炭材料(PC、PAC、NPAC和NPACmeetal)研究对比,结合物理表征分析以及电化学性能的评价,选出了最优材料生物质基活性炭材料(称作NPACC。),NPACc。展现了优异的电容性能和良好的氧还原催化性能,这主要是得益于三个因素:(1)有效的N掺杂碳结构,高绝对含量的吡啶氮(1.7%)和石墨氮(2.5%)的协同作用;(2)短程有序的碳层结构和多孔结构共存;(3)比表面积高(2091 1m2 g-1),合适的多级孔结构分布(大量的微孔和小介孔,孔径≤ 5 nm)。作为超级电容器炭材料,在0.5Ag-1时其比电容高达350 Fg-1,且在大电流密度20Ag-1时比电容仍然有271 Fg-1,是1Ag-1时比电容的83.4%。即使在极高电流密度50Ag-1充放电时,其电容值依然高达246Fg-1,分别是PC、PAC、NPAC炭材料的6.3、1.9、3.2倍。由NPACc。组装的电容器拥有高的能量密度12.5 Wh kg-1和功率密度250 W kg-1,并且在极高的功率密度8200 W kg-1时,仍有能量密度7.3 Wh kg-1,以及优越的稳定性(经5000周期充放电比电容仍保持有96.5%)。鉴于NPACCo的高比表面积、丰富的孔结构以及高的吡啶氮和石墨氮掺杂比,我们进一步探讨了电催化氧还原反应(ORR)的性能。在ORR测试中,NPACCo展现了高的起始电位(0.87 V)和半波电位(0.78 V),以及四电子转移的ORR反应途径,这些性能可与Pt/C的ORR活性相媲美;同时拥有远远优于商业Pt/C抗甲醇性能。本文所制备的NPACCo是一种既可以作为高能量密度、高比功率的电容型炭材料,也可作为高ORR催化活性的炭材料,是电化学储能和转化应用的有前景的候选材料之一。