本書(shū)聚焦炭基材料在電化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用，以農(nóng)林加工剩余物等生物質(zhì)材料為基材，充分利用其多層級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)人工耦合與調(diào)控制備固體塊狀炭材料作為電極基體材料。具體包括疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的基本性能與結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的三維網(wǎng)絡(luò)芯層構(gòu)建、疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的實(shí)木遺態(tài)芯層結(jié)構(gòu)調(diào)控、金屬/非金屬?gòu)?fù)合摻雜對(duì)不同結(jié)構(gòu)基體材料電化學(xué)性能的影響、薄木/紙基疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷Co、Mn摻雜自支撐電極與電化學(xué)性能、竹基疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷組裝CNT的結(jié)構(gòu)調(diào)控與電化學(xué)儲(chǔ)能、生物質(zhì)炭基自支撐電極的催化、活化與儲(chǔ)能機(jī)制探析。
本書(shū)可供從事木材陶瓷、生物質(zhì)材料以及電化學(xué)儲(chǔ)能材料等研究和應(yīng)用的各類(lèi)技術(shù)人員參考。

生物質(zhì)炭基木材陶瓷是一種以木材或植物基材為模板、添加熱固性樹(shù)脂、采用人工耦合制備而成的新型生物質(zhì)炭基復(fù)合材料。由片層材料相互疊加所制備的疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、孔隙層級(jí)豐富等優(yōu)勢(shì)，在充分保持生物質(zhì)材料天然精細(xì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可賦予其特殊的功能，在儲(chǔ)能與電磁屏蔽、潤(rùn)滑與摩擦、防腐與保護(hù)、保溫與隔熱、高溫過(guò)濾與吸附等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
自支撐疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷電極雖然源于生物質(zhì)，但是在充分利用生物質(zhì)多層級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代材料復(fù)合與仿生技術(shù)制備而成。因此，其實(shí)質(zhì)上與生物質(zhì)炭有著較大的差別?？杉庸こ删哂休^高強(qiáng)度的固體塊（片）狀炭基材料而直接用作電極，也可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與調(diào)控后代替金屬集流體負(fù)載活性?xún)?chǔ)能材料?；谔炕牧狭己玫膶?dǎo)電性、多孔性和耐酸堿腐蝕性，疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極在電化學(xué)儲(chǔ)能方面更具優(yōu)勢(shì)。
本書(shū)包括8章，主要涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外覆層和芯層材料的選用、制備工藝等，同時(shí)對(duì)不同木材陶瓷自支撐電極的電化學(xué)性能進(jìn)行分析，并對(duì)儲(chǔ)能機(jī)制進(jìn)行探究。第1章緒論部分主要概述了木材陶瓷與自支撐電極的結(jié)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)外最新的研究動(dòng)態(tài)，分析了疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出了將疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷用于自支撐電極的構(gòu)思。第2章從材料設(shè)計(jì)的角度分析了疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的基本性能要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素，以及基于電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，為后續(xù)內(nèi)容奠定理論基礎(chǔ)。第3章從三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)生物質(zhì)粉末和泡沫結(jié)構(gòu)材料用于芯層材料的制備工藝過(guò)程、性能表征，以及負(fù)載與組裝Mn離子和碳納米管（CNT）對(duì)電化學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析。第4章則以疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的實(shí)木遺態(tài)芯層材料為對(duì)象，分析催化石墨化、組裝與摻雜金屬離子、石墨烯量子點(diǎn)等對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的貢獻(xiàn)。第5章分析了金屬與非金屬元素負(fù)載對(duì)不同結(jié)構(gòu)基體電化學(xué)性能的影響與改善，擬發(fā)揮基體材料、金屬離子和非金屬離子的協(xié)效儲(chǔ)能效應(yīng)。第6章探討以薄木和紙為基材，構(gòu)建疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極，并分析了疊層結(jié)構(gòu)形貌、Co和Mn摻雜的催化作用，以及三者協(xié)同對(duì)能量與功率密度的貢獻(xiàn)。第7章探討以竹薄木與竹纖維為基材，設(shè)計(jì)與制備竹基疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極，通過(guò)Ni催化原位生長(zhǎng)和氣相沉積CNT對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，從而提升電化學(xué)性能。第8章在前幾章研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)CNT的生長(zhǎng)、過(guò)渡金屬催化石墨化、基體材料的造孔與活化以及電化學(xué)儲(chǔ)能等的機(jī)制進(jìn)行分析與總結(jié)，擬為木材陶瓷自支撐電極的制備與應(yīng)用提供技術(shù)與理論支撐。其中，第3章的部分內(nèi)容由張傳艷和陳浩偉提供資料；第5章和第6章的部分內(nèi)容由李鑾玉提供資料；其余章節(jié)由孫德林、余先純完成。
本書(shū)是在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——竹基疊層結(jié)構(gòu)木陶瓷多維孔隙的碳納米管協(xié)同構(gòu)筑與高密度儲(chǔ)能機(jī)制（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：32071851）的資助下完成的，主要數(shù)據(jù)與結(jié)論源自課題組的試驗(yàn)與總結(jié)。同時(shí)，本書(shū)還得到了湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——低維材料修飾三明治結(jié)構(gòu)竹基木陶瓷導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制與增效儲(chǔ)能機(jī)理（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2023JJ30998）的資助。
在寫(xiě)作過(guò)程中，盡量取材于這些課題的研究成果，并力求與國(guó)內(nèi)外的最新研究?jī)?nèi)容及重要成果相結(jié)合。鑒于所涉及的內(nèi)容和領(lǐng)域較廣，且作者學(xué)識(shí)有限，書(shū)中難免有疏漏之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

作者
2024年6月于長(zhǎng)沙

第1章緒論001
1.1生物質(zhì)炭基材料與木材陶瓷002
1.1.1生物質(zhì)炭基材料002
1.1.2炭基木材陶瓷005
1.1.3木材陶瓷復(fù)合材料006
1.2三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)木材陶瓷009
1.2.1實(shí)木（竹）基材010
1.2.2木（竹）粉末基材011
1.2.3中密度纖維板基材011
1.2.4農(nóng)作物秸稈基材011
1.3疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷016
1.3.1層狀結(jié)構(gòu)016
1.3.2夾層結(jié)構(gòu)019
1.4炭基自支撐電極與木材陶瓷自支撐電極021
1.4.1生物質(zhì)炭基自支撐電極021
1.4.2不同結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極024
參考文獻(xiàn)027

第2章疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的基本性能與結(jié)構(gòu)030
2.1木材陶瓷電極的基本性能030
2.1.1物理性能030
2.1.2化學(xué)性能032
2.1.3電學(xué)性能034
2.2疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷結(jié)構(gòu)的影響因素036
2.2.1夾層結(jié)構(gòu)的芯層基體和層狀結(jié)構(gòu)基體036
2.2.2燒結(jié)工藝037
2.2.3摻雜與負(fù)載043
2.3基于材料的芯層基體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素045
2.3.1生物質(zhì)粉末與纖維045
2.3.2木（竹）薄片材料047
2.3.3木（竹）塊狀材料047
2.3.4紙基材料048
2.4基于電化學(xué)性能的基體結(jié)構(gòu)調(diào)控048
2.4.1基材預(yù)處理049
2.4.2物理活化調(diào)控050
2.4.3堿液水熱活化調(diào)控050
2.4.4堿燒結(jié)活化調(diào)控050
2.4.5造孔劑燒結(jié)活化調(diào)控052
2.4.6磷酸活化調(diào)控053
2.4.7石墨化調(diào)控055
2.4.8電沉積負(fù)載調(diào)控056
2.5本章小結(jié)060
參考文獻(xiàn)060

第3章疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的三維網(wǎng)絡(luò)芯層構(gòu)建062
3.1三維網(wǎng)絡(luò)芯層基體構(gòu)建062
3.1.1生物質(zhì)粉末自支撐基體062
3.1.2人工泡沫結(jié)構(gòu)自支撐基體063
3.2生物質(zhì)自支撐電極芯層基體的工藝過(guò)程064
3.2.1制備工藝流程064
3.2.2基本工藝因素064
3.3最佳工藝參數(shù)分析064
3.3.1物料比對(duì)電化學(xué)性能的影響065
3.3.2活化溫度對(duì)電化學(xué)性能的影響065
3.3.3活化時(shí)間對(duì)電化學(xué)性能的影響067
3.4基本性能表征069
3.4.1孔隙結(jié)構(gòu)069
3.4.2物相構(gòu)成070
3.4.3電化學(xué)性能070
3.5木質(zhì)素基碳納米片組裝木材陶瓷芯層材料073
3.5.1制備工藝與方法073
3.5.2序列組裝與調(diào)控073
3.5.3基本性能表征074
3.5.4電化學(xué)性能077
3.6泡沫狀木材陶瓷組裝碳納米管芯層材料080
3.6.1工藝過(guò)程080
3.6.2結(jié)構(gòu)與物相構(gòu)成表征081
3.6.3電化學(xué)性能084
3.7石墨烯孔洞化與Co(OH)2組裝調(diào)控087
3.7.1石墨烯孔洞化087
3.7.2組裝與調(diào)控087
3.7.3形貌與結(jié)構(gòu)表征088
3.8本章小結(jié)089
參考文獻(xiàn)090

第4章疊層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極的實(shí)木遺態(tài)芯層結(jié)構(gòu)調(diào)控092
4.1遺態(tài)結(jié)構(gòu)木材陶瓷芯層材料結(jié)構(gòu)構(gòu)建092
4.1.1實(shí)木基材預(yù)處理093
4.1.2三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成093
4.2石墨烯序列組裝與可控制備093
4.2.1層層自組裝094
4.2.2電化學(xué)沉積組裝094
4.2.3可控制備機(jī)制097
4.3石墨烯轉(zhuǎn)化、金屬離子摻雜與負(fù)載099
4.3.1催化石墨化與金屬離子摻雜100
4.3.2SEM觀(guān)測(cè)100
4.3.3XRD、RS與XPS分析101
4.3.4XRD、EDS、元素映射與TEM分析104
4.4電化學(xué)性能106
4.4.1H3PO4活化Ni2+摻雜松木遺態(tài)結(jié)構(gòu)芯層材料106
4.4.2Ni2+摻雜石墨烯組裝實(shí)木芯層材料108
4.5針狀MnO2組裝對(duì)電化學(xué)性能的提升111
4.5.1制備工藝過(guò)程111
4.5.2微觀(guān)形貌與結(jié)構(gòu)112
4.5.3電化學(xué)性能113
4.6本章小結(jié)117
參考文獻(xiàn)117

第5章金屬/非金屬元素復(fù)合摻雜對(duì)不同基體電化學(xué)性能的影響119
5.1Mn/MnOx負(fù)載對(duì)芯層基體電化學(xué)性能的改善119
5.1.1MnOx負(fù)載工藝過(guò)程120
5.1.2微觀(guān)形貌120
5.1.3孔結(jié)構(gòu)與比表面積122
5.1.4化學(xué)構(gòu)成123
5.1.5電化學(xué)性能125
5.2Co/CoO復(fù)合木基遺態(tài)結(jié)構(gòu)鋅空氣電池電極131
5.2.1Co、N共摻雜電極構(gòu)建131
5.2.2基本性能132
5.2.3電化學(xué)性能分析134
5.3Co(OH)2修飾木基遺態(tài)結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器自支撐電極136
5.3.1負(fù)載Co(OH)2電極制備136
5.3.2性能與表征136
5.3.3電化學(xué)性能評(píng)價(jià)138
5.4N、P共摻雜Ni2+催化夾層結(jié)構(gòu)自支撐電極142
5.4.1水熱共摻雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化143
5.4.2形貌與孔隙構(gòu)造特征144
5.4.3表面化學(xué)構(gòu)成146
5.4.4基本物相構(gòu)成148
5.4.5電化學(xué)性能綜合分析149
5.5本章小結(jié)151
參考文獻(xiàn)152

第6章Co、Mn摻雜薄木/紙基疊層結(jié)構(gòu)自支撐電極電化學(xué)性能156
6.1Co2+摻雜薄木/松針夾層結(jié)構(gòu)自支撐基體構(gòu)建與性能156
6.1.1基體材料構(gòu)建157
6.1.2形貌與孔隙結(jié)構(gòu)157
6.1.3物相構(gòu)成與元素分布160
6.1.4Co2+摻雜與夾層結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)性能的影響163
6.2MnO2負(fù)載對(duì)電化學(xué)性能的影響167
6.2.1循環(huán)伏安168
6.2.2恒電流充放電168
6.2.3交流阻抗169
6.2.4循環(huán)性能、能量與功率密度169
6.3Mn4+電沉積負(fù)載Co2+摻雜夾層結(jié)構(gòu)木材陶瓷171
6.3.1電沉積負(fù)載工藝171
6.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化172
6.3.3最佳工藝驗(yàn)證與電沉積機(jī)理175
6.3.4孔隙結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)構(gòu)成175
6.4Mn4+燒結(jié)摻雜紙基層狀結(jié)構(gòu)木材陶瓷177
6.4.1基本工藝流程178
6.4.2顯微結(jié)構(gòu)178
6.4.3化學(xué)構(gòu)成179
6.4.4電化學(xué)性能181
6.5本章小結(jié)183
參考文獻(xiàn)183

第7章CNT組裝竹基疊層結(jié)構(gòu)自支撐電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與電化學(xué)儲(chǔ)能186
7.1竹基炭與木材陶瓷187
7.1.1竹材及竹炭?jī)?chǔ)能電極材料187
7.1.2CNT與儲(chǔ)能187
7.1.3孔隙調(diào)控與低維材料組裝188
7.2夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)188
7.3Ni催化原位生長(zhǎng)CNT/竹基夾層結(jié)構(gòu)木材陶瓷自支撐電極190
7.3.1夾層結(jié)構(gòu)基體構(gòu)建190
7.3.2CNT原位生長(zhǎng)與影響因素190
7.3.3孔隙結(jié)構(gòu)193
7.3.4物相構(gòu)成194
7.3.5電化學(xué)儲(chǔ)能194
7.4Co2+催化氣相沉積CNT修飾夾層結(jié)構(gòu)自支撐木材陶瓷電極198
7.4.1工藝過(guò)程198
7.4.2實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與表征200
7.4.3比表面積與孔結(jié)構(gòu)200
7.4.4微觀(guān)形貌與物相構(gòu)成202
7.4.5電化學(xué)性能208
7.5本章小結(jié)212
參考文獻(xiàn)213

第8章生物質(zhì)炭基自支撐電極的催化、活化及儲(chǔ)能機(jī)制探析216
8.1過(guò)渡金屬元素催化216
8.1.1CNT催化生長(zhǎng)機(jī)制217
8.1.2催化石墨化與結(jié)構(gòu)演變機(jī)制219
8.2木材陶瓷自支撐基體造孔與活化機(jī)制221
8.2.1酸堿預(yù)處理造孔與活化221
8.2.2堿燒結(jié)活化2248.2.3水熱活化225
8.3電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制探析227
8.3.1基于實(shí)木遺態(tài)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)儲(chǔ)能227
8.3.2基于夾層結(jié)構(gòu)的電化學(xué)儲(chǔ)能229
8.4本章小結(jié)232
參考文獻(xiàn)233

致謝235