多孔石墨化碳材料制备与储能应用

多孔石墨化碳材料能够在电化学储能过程中提供丰富的比表面积和良好的导电性，是一种具有发展潜力的碳材料。本书主要对多孔石墨化碳材料在超级电容器、锌离子混合电容器以及钠离子电池中的应用进行了介绍；结合国内外碳材料在电化学储能方面的研究进展及相关领域，系统介绍了各电化学储能技术工作原理、相应的电极材料以及碳材料的种类、结构、制备方法等；重点介绍了零维碳球、一维碳微米管、二维碳纳米片、三维多孔碳的结构调控策略并对所制备的碳材料进行了形成机理分析和结构性能研究。
本书具有较强的理论性、系统性和前沿性，可供从事碳材料开发及电化学储能性能研究等的工程技术人员、科研人员参考，也可供高等学校材料科学与工程、新能源、化学工程及相关专业师生参阅。

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第1章 电化学储能技术及其发展趋势 001
1.1 “双碳”目标下储能技术需求 002
1.2 电化学储能技术 002
1.2.1 超级电容器 003
1.2.2 锌离子混合电容器 011
1.2.3 钠离子电池 017
1.3 储能材料的迭代 029
1.4 多孔石墨化碳材料的核心优势与研发价值 029
参考文献 030

第2章 电化学储能碳材料 037
2.1 碳材料的种类 038
2.1.1 零维碳材料 038
2.1.2 一维碳材料 039
2.1.3 二维碳材料 040
2.1.4 三维碳材料 040
2.2 碳材料前驱体 044
2.3 生物质基碳材料及其优势 045
2.3.1 生物质的化学成分 045
2.3.2 生物质基碳材料的微观结构 047
2.3.3 生物质基碳材料的优势 050
2.4 多孔石墨化碳材料 050
2.4.1 多孔石墨化碳材料的制备方法 050
2.4.2 多孔石墨化碳材料的性质及其对电容性能的影响 063
参考文献 068

第3章 零维多孔石墨化碳球的制备及性能分析 076
3.1 单宁酸衍生多孔石墨化实心碳球的制备及性能分析 077
3.1.1 样品制备 078
3.1.2 电化学性能测试方法 078
3.1.3 形貌与结构分析 080
3.1.4 比表面积及孔径分析 082
3.1.5 X 射线衍射与拉曼光谱分析 083
3.1.6 X 射线光电子能谱分析 084
3.1.7 锌离子混合电容器电化学性能分析 087
3.1.8 超级电容器电化学性能分析 092
3.2 单宁酸衍生多孔石墨化空心碳球的制备及性能分析 094
3.2.1 样品制备 095
3.2.2 多孔石墨化碳球的形成机理分析 095
3.2.3 形貌与结构分析 096
3.2.4 比表面积及孔径分析 097
3.2.5 X 射线衍射和拉曼光谱分析 098
3.2.6 X 射线光电子能谱分析 099
3.2.7 超级电容器电化学性能分析 100
参考文献 105

第4章 一维多孔石墨化碳微米管的制备及性能分析 108
4.1 以K4Fe(CN)6 为催化剂制备柳絮衍生多孔石墨化碳微米管及性能分析 109
4.1.1 样品制备110
4.1.2 结构与形貌表征分析 111
4.1.3 比表面积和孔径分析113
4.1.4 X 射线衍射与拉曼光谱分析·115
4.1.5 X 射线光电子能谱分析·117
4.1.6 PGCMT 形成机理分析118
4.1.7 超级电容器电化学性能分析·119
4.2 以铁盐和KCl 混合物为催化剂制备柳絮衍生多孔石墨化碳微米管及性能分析 125
4.2.1 样品制备 126
4.2.2 结构与形貌表征分析 126
4.2.3 比表面积和孔径分析 128
4.2.4 X 射线衍射和拉曼光谱分析 129
4.2.5 X 射线光电子能谱分析·131
4.2.6 PGC-N 形成机理分析 132
4.2.7 超级电容器电化学性能分析 134
参考文献 138

第5章 二维多孔石墨化碳纳米片的制备及性能分析141
5.1 葡萄糖衍生多孔石墨化碳纳米片的制备及性能分析 142
5.1.1 样品制备 143
5.1.2 多孔石墨化碳纳米片的形成机理 143
5.1.3 形貌与结构分析 144
5.1.4 比表面积和孔径分析 146
5.1.5 X 射线衍射和拉曼光谱分析 147
5.1.6 X 射线光电子能谱分析 148
5.1.7 超级电容器电化学性能分析 149
5.2 葡萄糖/ 纤维素衍生多孔石墨化碳纳米片的制备及性能分析 153
5.2.1 样品制备 154
5.2.2 形貌和结构分析 155
5.2.3 比表面积和孔结构分析 157
5.2.4 X 射线衍射和拉曼光谱分析 158
5.2.5 X 射线光电子能谱分析 159
5.2.6 超级电容器电化学性能分析 159
5.3 PVP 衍生多孔石墨化碳纳米片的制备及性能分析 168
5.3.1 样品制备 169
5.3.2 碳纳米片形成机理分析 169
5.3.3 形貌和结构分析 170
5.3.4 比表面积及孔径结构分析171
5.3.5 X 射线衍射与拉曼光谱分析 173
5.3.6 X 射线光电子能谱分析 174
5.3.7 水系锌离子混合电容器电化学性能分析 175
5.3.8 全固态柔性锌离子混合电容器电化学性能分析 180
5.4 琼脂衍生多孔石墨化碳纳米片的制备及性能分析181
5.4.1 样品制备 182
5.4.2 钠离子电池碳负极电化学性能测试方法 183
5.4.3 红外光谱分析 184
5.4.4 形貌与结构表征分析 184
5.4.5 X 射线光电子能谱分析 186
5.4.6 比表面积和孔结构分析 187
5.4.7 X 射线衍射与拉曼光谱分析 189
5.4.8 钠离子电池电化学性能分析 190
参考文献 195

第6章 三维多孔石墨化碳材料的制备及性能分析 203
6.1 单宁酸/ 葡萄糖衍生三维多孔石墨化碳材料的制备及性能分析 204
6.1.1 样品制备 204
6.1.2 多孔石墨化碳材料形成机理分析 205
6.1.3 热重分析 206
6.1.4 形貌与结构分析 207
6.1.5 比表面积及孔径结构分析 209
6.1.6 X 射线衍射与拉曼光谱分析 210
6.1.7 X 射线光电子能谱分析·211
6.1.8 水系锌离子混合电容器电化学性能分析 212
6.1.9 全固态柔性锌离子混合电容器电化学性能分析 216
6.1.10 锌离子混合电容器实际应用 218
6.2 木屑衍生三维多孔石墨化碳材料的制备及性能分析 219
6.2.1 样品制备 220
6.2.2 形貌与结构分析 221
6.2.3 比表面积和孔结构分析 223
6.2.4 碳材料晶形结构分析 226
6.2.5 PGC-10c -T 形成机理分析 228
6.2.6 超级电容器电化学性能分析 229
参考文献 235

第7章 多孔石墨化碳材料面临的挑战与发展展望 238
7.1 多孔石墨化碳材料的研究应用现状及面临的挑战 239
7.2 多孔石墨化碳材料未来研究发展方向 239

在“双碳”目标驱动下，全球能源结构正经历从化石燃料向可再生能源的深刻转型。风能、太阳能等间歇性可再生能源的大规模应用，对高效、安全的储能技术提出了迫切需求。电化学储能技术因其能量转换效率高、响应速度快、环境友好等优势，成为破解可再生能源波动性难题的核心钥匙。作为储能器件的“心脏”，电极材料的性能直接决定着能量密度、功率密度和循环寿命等关键指标。而在众多电极材料中，多孔石墨化碳材料凭借其高比表面积、可调控的孔道结构、优异的导电性及化学稳定性，展现出不可替代的潜力，近年来在超级电容器、混合电容器及二次电池领域的研究呈现爆发式增长。
本书主要对多孔石墨化碳材料在超级电容器、锌离子混合电容器以及钠离子电池中的应用进行了介绍；结合国内外碳材料在电化学储能方面及相关领域应用的研究进展，系统介绍了各电化学储能技术工作原理、相应的电极材料以及碳材料的种类、结构、制备方法等；重点介绍了零维碳球、一维碳微米管、二维碳纳米片、三维多孔碳的结构调控策略并对所制备的碳材料进行了形成机理分析和结构性能研究。本书具有较强的理论性、系统性和专业性，力求体现出笔者研究成果前沿性，可供从事碳材料开发及电化学储能性能研究等的工程技术人员、科研人员参考，也可供高等学校材料科学与工程、化学工程及相关专业师生学习参阅。
本书旨在为构建高安全、低成本、可持续的新型储能体系提供理论支撑，助力能源结构转型与“双碳”战略目标实现。本书的撰写得到了许多同行的大力帮助和支持，在此由衷地感谢太原理工大学曹青教授、中国科学院山西煤炭化学研究所刘艳珍研究员，以及太原科技大学刘宝胜教授、闫晓燕教授、赵新新副教授等提供的宝贵建议和实验支持！感谢团队蒋超、王容、张富博等对研究工作做出的贡献！
在成书过程中，虽笔者力求严谨，但难免存在疏漏之处，敬请读者批评指正！

张晓华
2025年5月