黑茶茶梗衍生多孔碳的制备及其超级电容性能研究

本论文以黑茶茶梗为原料，先加入浓硫酸通过水热反应进行预炭化处理，再以氢氧化钾为化学活化剂，通过高温碳化，制备出由黑茶茶梗衍生的多孔活性炭。在实验中通过改变氢氧化钾与茶梗的质量比例，制得了三种不同的生物质衍生活性炭(DTS-AC-1、DTS-AC-2、DTS-AC-3)。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱分析表征了样品的形貌、结构和组成。将这三种材料分别制成电极研究其对称型超级电容器性能。通过电化学性能测试表明，DTS-AC-3具有最优的电化学性能。在1 A∙g−1的电流密度下，DTS-AC-3的比电容达到105.7 F∙g−1，可见黑茶茶梗衍生多孔碳作为超级电容器电极材料具有一定的应用潜力。

化石能源的持续枯竭促使人们对太阳能、风能等可再生能源进行了深入研究[1]。然而，这些再生能源的间歇性需要不间断电源作为支撑， 于是储能器件引起了广泛关注[2]。

超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环稳定性好等优点，在储能领域具有巨大的应用前景，电极材料是决定超级电容器性能好坏的关键，因此电极材料已成为超级电容器研究的重点[3]。

炭材料由于具有导电性好、原料来源广、抗化学腐蚀性好、价格便宜等特点，已成为超级电容器领域研究较热门的电极材料。传统的炭材料以炭黑、石墨、多孔炭为主，多为石化下游产物，依然受能源危机和环境保护的限制，且电容性能已到极致[4] [5]。

为此，不同形态的碳材料如碳纳米管、石墨烯等已被广泛研究用于超级电容器的应用。然而，它们中的一些表现出较小的活性比表面积(SSA)或有限的孔隙率， 影响其电化学性能， 特别是它们的能量密度。

如今， 碳质电极材料如金属有机骨架衍生碳等已被开发， 它们可以达很大的SSA 和分布良好的孔隙率[6]。

但是这类材料存在金属前驱体消耗高、有机螯合物成本高、工艺收率低等问题，这些因素增加了目标材料的成本，并限制了它们的大规模生产[7]。因此，有必要寻找新的合成途径，以制备用于超级电容器应用的具有均匀孔隙率的低成本多孔碳材料。为适应炭电极材料的发展需求，以资源丰富且可再生的生物质资源为前驱体的炭电极材料已成为研究热点[8] [9]。

据研究人员发现，以生物质为原料制备的多孔碳材料既具有双电层行为，又具有赝电容行为，同时还可以拓宽电压窗口，提高超级电容器的能量密度。更重要的是，自支撑结构的三维生物质石墨烯解决了添加粘合剂导致的导电性差的问题[10]。

生物质衍生碳作为一种绿色、廉价、可持续和可再生的碳资源， 越来越多地用于制备三维多孔石墨烯， 具有广阔的产业前景和巨大的经济效益[11]。

生物质炭具有丰富的