近年来,随着工业化的快速发展,人口数量的急剧增加和矿石燃料（煤、石油和天然气等）的不断消耗,能源短缺和环境污染等问题日益严重。因此,清洁高效地利用能源成为解决上述问题的关键。超级电容器是一种新型的电能存储器件,具有功率密度高(10kWkg^-1)、循环寿命长（>100,000次循环）及倍率性能优越等特性,在工业、运输业和军事上得到广泛应用。超级电容器主要有两种类型,即双电层超级电容器和赝电容超级电容器。前者利用离子电荷的物理吸附存储电能,其中电极材料主要是碳材料,如活性炭,石墨烯和碳纳米管等。它们具有优异的导电性,因此,其倍率性能优异;但受限于其比表面积,其比电容较小(<300Fg^-1),能量密度也较小(<10Whkg^-1)。赝电容超级电容器主要过渡金属化合物,利用过渡金属的价态可变化性能（可逆氧化还原反应）实现电荷的存储与释放。赝电容电极材料比碳材料具有更高的比电容和能量密度,但是其较差的导电性降低了其倍率性能和功率密度,此外其循环性能也比碳材料差。因此,基于以上两类电容器电极材料的性能,研制高性能的碳基复合材料成为目前研究的热点。尽管新兴的石墨烯和碳纳米管等得到很多关注,但其电容性能与活性炭接近,且其制作成本远高于活性炭,故而现阶段尚不能实现大规模的工业化生产。并且,它们本身易发生堆叠现象,尤其在复合赝电容材料后,比表面积大幅下降,造成双电层效应随之亦大幅降低,不利于双层电容器电荷存储效应与赝电容效应的有效发挥。鉴于此,一方面为了寻求可大规模产业化生产并具有优异电容特性的碳基电极材料,另一方面为实现在此碳基上与其它赝电容纳米功能相复合以进一步提高电容特性的目的,本论文开展了基于生物质碳材料的纳米复合电极的制备及电容性能研究。自然界历经亿万年,进化了数目繁多的多形态、多尺度、多维数的生物质材料。这些生物质为人类简易、廉价获取碳材料提供了丰富的资源。经过简单的碳化与活化工艺制备获得的生物质纳米孔碳基,不仅生产成本低,并且由于其本身具有的多孔结构和表面特性,即使在复合纳米功能相之后仍能发挥部分双电层效应;大的比表面积可为功能相离子的复合提供更多的沉积位点,促进复合相在碳基上的分散型分布,最终提高复合材料整体的电容性能。本文充分利用生物质纳米孔碳作为基底,原位引入纳米功能相,制备出基于生物质碳的先进多孔碳复合电极材料。重点研究了生物质碳表面复合功能相的制备工艺,围绕具有层、颗粒、管等典型形貌的纳米功能相,研究了双层电容的碳基与赝电容功能相的耦合效应。主要内容和结论如下:一、生物质纳米孔碳表面原位复合纳米金属颗粒工艺研究不同生物质制备的纳米孔碳材料存在表面物理、化学性质及微观结构上的较大差异。因此,甄选合适生物质碳基和复合工艺方法是实现生物质碳与纳米功能相复合的重点。本文选取四种生物质纳米孔碳,分别采用浸渍法、水浴沉积沉淀法和微波沉积沉淀法研究了Co纳米颗粒在生物质碳表面的沉积状况,最终确立了具有大孔容、均一化孔径分布和大量含氧官能团的竹质纳米孔碳作为生物质碳基,通过微波沉积沉淀法可实现Co纳米颗粒在碳表面上的均匀沉积。研究发现,选取Co（NO₃）₂·6H₂O为前驱离子溶液,溶液浓度3.4mM、与尿素溶液浓度配比1:10、超声时间3min、使用2450MHz的700W低温微波加热反应12min为最优微波沉积沉淀实验参数,可在纳米孔竹碳上实现分散性很高的纳米金属颗粒功能相的复合,为下步二元、三元生物质多维纳米孔碳杂化材料的制备奠定实验基础。二、纳米薄片Co（OH）₂/生物质纳米孔碳纳米复合材料电极制备及性能研究为了提高薄片Co（OH）₂的活性物质表面利用率,本文通过快速、廉价有效的微波沉积法将花状α-Co（OH）₂纳米片原位生长于生物质纳米孔碳基上,应用于超级电容器。碳基的存在促进了具有赝电容特性的Co（OH）₂纳米片的分散,使得Co（OH）₂纳米片层厚度明显降低,平均纳米片层厚度仅为5-9nm左右;并且,碳基的多孔结构在充放电中为电荷转移提供了更加充足的通道。这个杂化结构的比电容可在0.1Ag^-1下达到345Fg^-1,并可在高电流密度5Ag^-1时保持284Fg^-1。另外,由于构建的杂化结构稳定性较好,使得复合材料在5Ag^-1时充放电5000次后比电容的容量衰减仅为14%。这个优良的电化学性能归因于多孔碳基和赝电容特性的Co（OH）₂纳米片之间的协同作用。三、低温快速合成高度分散、尺寸可控的Co₃O₄颗粒/生物质纳米孔炭复合材料电极制备及性能研究为了提高活性物质的利用率,降低复合的纳米功能相对碳基表面的堵塞,使得赝电容效应和碳基的双电层电荷存储效应能够充分发挥,本文研究了Co₃O₄纳米级颗粒与生物质纳米孔碳的复合。应用快速的微波沉积沉淀法在活性竹炭上负载均匀分布的Co₃O₄纳米颗粒并应用于超级电容器。Co₃O₄纳米颗粒尺寸可通过碳基的不同预氧化处理控制在几至几十纳米之间。碳基的双电层电容和锚定的Co₃O₄纳米颗粒的赝电容性能协同作用决定了杂化材料的电化学性能,其中,Co₃O₄纳米颗粒的尺寸和负载量影响着Co₃O₄纳米颗粒在杂化材料中的赝电容贡献。当纳米颗粒平均尺寸约为7nm且负载量16.4wt%时,复合材料在6M的KOH中0.1Ag^-1时测试的比电容值可达491Fg^-1。另外,合成的二元杂化材料在高电流密度5Ag^-1时循环5000次充放电后的比电容衰减仅为11%,表明了Co₃O₄纳米颗粒与碳基之间较强的结合力。四、多级三元碳纳米管/纳米金属/生物质纳米孔碳杂化复合电极材料的制备及性能研究为了进一步提高材料的整体电容,本文在以上的研究基础上引入了碳纳米管的纳米功能相来提供额外的比表面积存储电荷,并形成良好的导电网络。我们采用微波法在活性竹炭基上沉积均匀分散的纳米颗粒,再通过化学气相沉积以此为生长位点原位生长开口的碳纳米管,合成了碳纳米管、纳米金属和活性炭的多级三元杂化材料。碳管与活性炭表面通过纳米颗粒作为节点紧密结合。这个独特的三维杂化结构使此复合材料表现出相当大的比电容(1Ag^-1时为440Fg^-1)及优良的倍率性能(5Ag^-1相对于1Ag^-1时,97%)。另外,三元杂化材料在5Ag^-1时,循环3000次后仍可保留98.4%的初始电容,表明了其优异的循环稳定性。除了较高的比表面积,这样优异的电容性能主要归因于:开口的碳纳米管(5^-12nm)可提供更有效的离子通道;互相交错的纳米管导电网络结构促进了电子的运输;超细小的纳米金属颗粒（3-9nm）提供了赝电容,表明了双电层电容和赝电容反应共同产生的协同效应有利于提高总电容性能。综上所述,本研究以低成本、来源广、已工业化的生物质纳米孔碳为多孔支撑基底,研究了碳基原位微波复合纳米功能相的制备方法,实现了生物质纳米孔碳与不同纳米功能相（纳米薄片Co（OH）₂、颗粒Co₃O₄、碳纳米管/纳米金属）的二元、三元复合电极。复合电极具有分级多孔、导电性好和纳米功能相分散均匀的结构特点,因此有效实现了赝电容、双电层储能的协同作用。微波沉积沉淀法具有耗时短、加热高效均匀的特点,将大大提高电极材料的生产效率。同时,本文研究了不同种类的具有赝电容特性的纳米功能相与碳基复合后产生的协同作用对于整体电容性能的影响,为基于生物质的先进功能电极材料的开发、构筑和应用提供了更为广阔的研究空间。