随着化石能源枯竭能源危机与环境污染问题对经济可持续发展的影响，风能、水能、太阳能等清洁能源逐渐成为转化为电能的重要来源，对于实现可持续发展和应对能源危机具有重要意义。然而，清洁能源的间歇性和不可预测性导致电能生产存在过剩和波动的可能。因此，电能的过剩存储需求成为了清洁能源应用中亟待解决的问题。
超级电容器作为一种新型的储能设备，具有充电速度快、功率密度高、循环寿命长等优点[1]，能够满足清洁能源转化电能后过剩存储的需求。超级电容器通过电解质和电极之间的物理化学反应来储存电能，具有高容量、高功率密度的特点，可以在短时间内聚集大量电能，并快速释放以满足瞬时高功率电力的需求。电极作为构建超级电容器的关键部件，对超级电容器的储能性能起着至关重要的作用[2]。为了提高超级电容器的性能，人们探索了大量的电极材料[3]，其中多孔碳、石墨烯和碳纳米管等碳材料因其比表面积大、电导率高、物理/化学稳定性好而被广泛研究[4-6]。然而，传统的碳材料如石墨烯、碳纳米管等虽然具有出色的电化学性能，但其高昂的成本和复杂的制备过程限制了其大规模应用。因此，探索低成本、高效率的碳材料制备方法，利用可再生生物质资源，尤其是生物质废料的利用成为了当前研究的热点。
如今，生物质废弃物衍生碳材料(BWDCs)作为电极材料具有以下几个优点：1)来源广、产量高、成本低、资源利用过程中基本无污染，是一种理想的清洁能源。2)天然的细孔结构，大的比表面积(SSA)，丰富的表面官能团，具有稳定的物理化学性质。3)含碳量高，主要成分为纤维素、木质素、半纤维素以及少量灰分和提取物。
2021年，Zhang等[7]阐述了生物质碳材料不同活化方法的效果，包括物理活化、化学活化等。Tiwari[8]总结了生物质转化为碳纳米材料的常见方法和创新改进，研究了一些特定原料的适用性以及用于转化生物质废物的方法的优缺点。Wang等[9]系统地讨论了生物质电极类型与SCs性能之间的关系。主要包括碳材料形态、杂原子引入程度、石墨化程度对电化学性能的影响，为生物质碳材料提供了广阔的发展方向。
学者们已经研究了丰富的木质纤维素作为电极材料，如Wei等[10]从三种不同纤维素含量的农业废弃物(麦秸、玉米芯和玉米叶片)中制备了BWDCs。从SEM和透射电镜(TEM)可以看出，不同尺寸的微孔、中孔和大孔形成了具有高SSA的三维多孔碳。此外，三电极体系的测试结果表明，麦秸在1A∙g-1时的比电容高达225F∙g-1。结果表明，三维分层多孔碳结构显著提高了材料的电化学性能。
杂原子掺杂修饰提高了表面润湿性、电荷迁移率和电解质离子的表面氧化还原反应，从而改善了材料的赝电容，被认为是优化电容性能的有效方法。从这个角度来看，自然界中大多数生物质废弃物，如植物、动物、水生生物及其衍生物，都有其独特的自然结构，含有一定数量的杂原子(B、N、O、P、S等)。研究以花生壳为前驱体，CuMnxOy为掺杂剂，采用两步活化法制备AC@CuMnxOy复合材料。制备的生物质碳不仅具有良好的孔隙结构，而且具有双金属带来的高比电容。有望解决单个BWDCs比电容较低的不足。综上所述，从各种生物质废弃物中提取的碳基复合材料在纳米材料领域具有良好的应用前景。
华侨大学的孙东亚等[11]采用多种生物质材料，不断改良和提升超级电容器的性能通过预碳化得到具有多孔空心管结构苎麻衍生碳基体，再通过溶剂热后碳化的方法在多孔碳壁的内侧和外侧生长的Co3O4纳米片，制得了一种高比电容的三明治Co3O4@C@Co3O4管状复合材料。为改善生物衍生碳材料与活性组分间的界面特性，通过KOH高温活化碳化法对来源丰富的自然生物废弃物‒谷糠进行预处理，得到具有多级孔的衍生碳材料。通过后续的水热反应将活性组分花状氧化钴纳米晶负载于多孔衍生碳材料之上，得到氧化钴/碳复合材料具有优良的电化学性能。
Majid Shaker等[12]总结了对超级电容器进行了基本描述，然后对不同来源的生物质进行了介绍和分类。如来自森林植物和残余物的生物质，来自农产品和农业废弃物的生物质，来自工业废物的生物质，生活垃圾中的生物质。从生物质原料中提取的多孔碳已被证明是高性能SCs电极的最佳候选者之一。因此，科学家们一直在做出巨大的努力，利用各种来源的生物质合成先进的碳材料。还总结了生物质衍生多孔碳作为SCs电极的活化方法，如物理活化、化学活化。
近年来，以生物质为原料做成碳电极材料因为其成本低，来源广而备受关注[13-14]。武汉大学化学与分子科学学院的李道琰等[15]研究了合成了蜂窝状多孔明胶，并以其为前驱体，经炭化活化制备活性炭。制备的活性炭具有更高的比表面积(高达3692 m2∙g−1)和超级电容器性能。并在进行测试电化学性能的时候在6 mol∙L−1 KOH溶液中，多孔明胶经600℃炭化和700℃活化制备的活性炭在电流密度为1和100
A∙g−1时的比电容分别为357和227 F∙g−1。在10
A∙g−1的电流密度下，经过7500次充放电循环后，其初始电容的保留率为93.0%，具有良好的循环稳定性。此外，组装了一个对称超级电容器，在功率密度为250、2500和25000 W∙kg-1时，其能量密度分别为10.3、9.7和8.2 Wh∙kg-1。此外，在10
A∙g−1下使用该对称超级电容器10000次循环后，容量保持率高达97.6%。并在其文章中表明活化温度对其电化学性能也有影响，如温度可能影响其表面积，孔径的大小，比电容等等性能，其研究成果可以对一些明胶和其他生物质提供参考。
综上，虽然生物质材料来源广泛，是可再生资源，但是生物质碳材料制备大多数需要高温碳化，不适合大规模工业化生产，且目前生物质碳基电极材料的比电容、能量密度较低，限制了进一步的应用。
因此，本课题以价格低廉的生物废料甘蔗渣和剑麻渣为原料，采用水热法合成生物质废料碳基超级电容器电极，研究合成条件对其形貌、结构及电化学性能的影响。采用通过掺杂技术，研究不同掺杂元素、不同元素掺杂量、共掺杂等对生物质废料碳基材料的电化学性能的影响，阐明元素掺杂等对生物质废料碳基材料的电化学性能的影响机制，为可再生物质及生物质废料在新能源领域的应用提供数据参考。
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