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丰富的海洋生物质作为再生资源在能源材料方面的应用越来越受到人们的关注。海藻酸钠是一种水溶性天然聚合物,相邻的两个分子可以通过离子交换与多价金属离子螯合形成“蛋-盒”结构。海藻酸钠可以作为一种碳基电极材料的无毒碳源材料应用于储能器件中。通过湿法纺丝和静电纺丝将海藻酸钠分别制备出微米级和纳米级的海藻纤维。本文主要研究了通过对两种海藻纤维的炭化,制备了四氧化三钴/碳(Co3O4/C)微纳米复合纤维(Co3O4-CF)和氮原子掺杂的多孔碳纳米纤维(N-PCNFs),并对其作为锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料和燃料电池阴极催化剂时的性能做了相关测试。首先,利用湿法纺丝和离子交换得到形貌均一的微米级海藻酸钴纤维,通过高温炭化和氧化制备出了Co3O4-CF。在此结构中,C对Co3O4纳米颗粒形成了良好的包覆,克服了C材料和Co3O4单独作为锂离子负极材料时的缺点。与制备类似复合材料的传统方法相比,此方法简单、无毒、无污染。Co3O4-CF作为锂离子电池负极材料具有高比容量(在电流密度为89 mA/g时比容量780 mAh/g)和优异的循环稳定性(连续充放电100次后比容量保持不变)。其次,利用静电纺丝和离子交换制备了海藻酸钴纳米纤维,通过氨气氛围下的炭化和除去金属钴颗粒制备了N-PCNFs。其具有较大的比表面积、良好的导电性、多孔结构和部分石墨化等特点。这些特点使其作为能源材料时具有较快的电子传输速率和有效的电解液扩散等特点,可以作为高性能的多功能能源材料应用于锂离子电池、超级电容器和燃料电池中。其中,氨气氛围下600℃炭化制备的样品(N-PCNFs-600)具有最好的电化学性能。其作为锂离子电池负极材料时,N-PCNFs-600具有高比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。其在电流密度1 A/g下连续充放电300次以后比容量达到625 mAh/g,在电流密度高达20 A/g下,比容量还能维持在175 mAh/g。作为超级电容器电极材料时,N-PCNFs-600也展示了良好的储能性能(电流密度1 A/g下比电容为197 F/g)和稳定性能。另外,N-PCNFs-600作燃料电池阴极催化剂有着优异的阴极氧化还原反应催化活性,其起始电位、半波电位和电子转移数都接近商业化的铂/碳催化剂,其抗甲醇性能和稳定性能都优于商业化的铂/碳催化剂。