1．目的及意义

随着全世界对资源和环境问题的日益重视，纤维素作为自然界中可再生资源，具有无毒、无味、可生物降解、生物相容性好等特点，有着巨大的市场潜力^[1]。棉花、秸秆、麻类、木材、草本以及部分真菌、藻类都含有纤维素，其量多且分布广泛，可以作为提取纳米纤维素的来源。伴随着传统煤炭、石油的储量日益下降，且化工产品给生态环境带来了巨大的压力，纤维素作为天然高分子材料凭借其绿色清洁、低密度、高比强度比模量的优势成为了替代石油化工产品的最佳材料^[2]。纤维素目前已经普遍应用于复合材料、建材、制浆造纸、涂料、医学等领域^[3-6]。

近年来，可持续发展和环境友好理念在能源储存技术领域受到了广泛的关注。可再生原料、绿色合成路线和环保组件越来越多的应用于电池和超级电容器技术中^[7-9]。纳米纤维素作为最有前景的绿色纳米材料之一，由于其杰出的机械强度、优异的柔韧性和大的长径比，在超级电容器电极材料中有着巨大应用价值^[10]。因此研究者们将纳米纤维素作为活性导电物质的机械增强材料来获得的柔性导电材料用于超级电容器电极；碳材料通常具有低密度，高柔性，大表面积以及丰富的空隙结构，是超级电容器电极的理想活性材料。然而作为一种绝缘材料，纳米纤维素电极的导电性难以达到实际应用要求。炭化是提高生物质材料导电性的一种有效手段，将纳米纤维素在惰性气体下进行高温炭化可以有效提高其导电性。然而，炭化后的纳米纤维素比表面积相对较低，作为超级电容器电极时比容量有限。改善纳米纤维素的电化学性能可以从两个方面展开。一方面，向纳米纤维素基体中添加高表面积填料可以有效提高纳米纤维素基复合材料的比表面积，从而提高其电化学比容量。

超级电容器（电化学电容器）作为一种环保、高效和相对新型的储能元件，成为了近年来在储能领域的又一个新研究热点^[11-13]。传统电容器只能储存少量能量，主要是受到电极间距离的限制以及储存电荷的电极表面积有限的影响。与传统电容器相反，电池的储能能力最强，即储能密度最大。然而电池在充放电过程中基于法拉第效应的化学反应进程十分缓慢并且电极会发生相变，导致了电池的功率密度比较低、循环稳定性差和容量衰减快的问题。超级电容器的储能特性同时具有电池和电容器的特点，其性能介于两者之间，能够综合两者的优点。

碳纳米管（CNT）可以理解为片状的石墨片绕其中心弯曲形成的管子, 其两端是半球面，其中含有五边形结构，并且该管状物处于封口状态^[14-16]。根据CNT的结构，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），其性能也有所不同。目前SWCNT的分子结构已经有了较为明确的解释，但是MWCNT的具体结构还有待考证，对于MWCNT的结构由两种可能性，一种是空心圆柱结构，一种是蛋卷状结构。SWCNT的直径为纳米级，由于层与层之间的叠加，MWCNT的直径为百纳米级。

CNT中具有很强的分子间作用力，同时表面能也很高，这就使得CNT容易聚集在一起，彼此之间发生缠绕成为团状结构，分散变得相当困难，这一技术难题使得其在各方面的应用产生瓶颈。活性官能团对于物质的溶解度有较大影响，然而CNT分子表面就刚好缺少这些基团，导致其溶解度很小，当CNT应用于电子储能设备时，不能很好地对其电化学性能进行深入的探索。因此，解决CNT的分散性和溶解性问题迫在眉睫。目前科研人员已经研究出了一些解决这一技术难题的方法，这些方法分为两类：物理分散法和化学分散法^[17-18]。其中前者主要包括研磨、搅拌、超声分散等，后者则是采用某些化学试剂在CNT表面引入某些活性官能团，通过官能团之间的相互作用达到分散的目的。

本文采用TEMPO（2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基）氧化法制备了纳米纤维素，长径比高的同时其分散性能优异。碳纳米管具有高结晶度、低密度、优异的电性能、微孔分布比较集中以及较大的比表面积的特点，在制造超级电容器方面有独特的潜力。本文采用重氮盐技术在碳纳米管表面接枝磺酸根基团制备了磺化碳纳米管，以提高其在纳米纤维素分散液中的分散效果，通过将两者进行物理复合并通过冷冻干燥、碳化制备了纤维素基碳化气凝胶超级电容器。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1基本内容