随着传统化石燃料的消耗殆尽,人类对能源的需求日益迫切。超级电容器因具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长、稳定性高等优良性能,在混合式动力汽车、轻便式电子设备、智能电网等领域具有广阔的应用前景。然而,低能量密度仍然是大规模应用的瓶颈。值得注意的是,超级电容器的电化学性能很大程度上是由所采用的炭材料决定的。杂原子掺杂多孔碳是有前景的超级电容器电极材料,但是简单、廉价的制备方法一直是一个挑战。此外,考虑到环境因素和经济价值,理想的电极材料应该衍生自可再生资源。农业废弃物、食品残渣、生活垃圾、污泥等废物资源的重新配置和利用可以实现环境保护与公众利益的同驱发展。此外,生物质原料成分复杂、不稳定,也导致了碳材料性能的不确定性。因此,迫切需要开发相应的技术和设备实现生物炭的定性、定向制备。本文旨在通过新颖、简单、高效的改性水热方式获取高稳定性和高比容量的多孔炭材料。创新性研究内容如下:1.N、O、P、S-榴莲皮基四原子自掺杂多孔碳的制备及电化学性能研究以废弃榴莲皮作为生物质原材料,采用改性水热法来制备多孔碳。在磷酸体系中,选择特定的碳化温度和固液比,物料自动形成两个界面,即上层为亲气反应和转化界面,下层为粘稠的液固反应相。后续经高温裂解,制备得到N、O、P和S四原子掺杂的多孔碳。N和S元素来源于原始生物质,O和P元素分别来源于溶解氧和H3PO4反应介质。利用这种独特的制备策略,获得的炭基材料拥有高达1809.32 m2·g-1和1672.24m2·g-1比表面积,且表面形成了丰富的含氧官能团可以增强炭电极材料的导电性、稳定性和亲水性。采用CHI660E电化学工作站,在三电极体系中分别以铂片和饱和Hg/Hg O电极作为对电极和参比电极,所制的多孔碳材料作为工作电极,电解液为6 M H2SO4和6 M KOH,室温下对电极材料的电化学性能进行测试。所得生物炭在H2SO4电解液中1 A·g-1时的比容量为433.70 F·g^-1;其次,具有出色的循环稳定性,在10 A·g-1下经过10000个循环稳定性保持106.70%。在6M H2SO4和6M KOH溶液中,电流密度从1 A·g-1增加到10 A·g-1时,电容保持率分别为83.19%和73.75%,具有较好的倍率性能。随后,将其集成对称型超级电容器设备,使用6 M KOH水溶液作为电解液,在1 A·g-1的电流密度下,可以呈现158.20 F·g^-1比容量;在1V的电压窗口和500 W·kg-1的功率密度下可获得最大能量密度为21.97 Wh·kg-1。2.N、O、P-芒草基三原子自掺杂多孔碳的制备及电化学性能研究为探究采用相同的亲气反应界面实现不同材料的定性、定向制备,实验以不同的生物质做原料,以期获得此制备方法的普适性。采用芒草作为生物质基原材料,通过调整固液比例来获取亲气反应界面。分析亲气界面反应制备得到的炭基材料和水热体系下获得的炭基材料的差异性。研究发现采用亲气反应界面依然可以有效获得高比容量和较好倍率性能的多杂原子掺杂炭基材料。在三电极体系6M H2SO4电解液中通过亲气界面反应得到的炭基材料,在1 A·g-1的电流密度下拥有552.57 F·g^-1比容量,电流密度从1 A·g-1增加到50 A·g-1时,电容保持率为84.15%。本研究为获得杂原子自掺杂的高稳定炭基电极材料提供了一种经济有效的方法。