叠层结构木材陶瓷自支撑电极

本书聚焦炭基材料在电化学储能中的应用，以农林加工剩余物等生物质材料为基材，充分利用其多层级孔隙结构特征，通过人工耦合与调控制备固体块状炭材料作为电极基体材料。具体包括叠层结构木材陶瓷自支撑电极的基本性能与结构、叠层结构木材陶瓷自支撑电极的三维网络芯层构建、叠层结构木材陶瓷自支撑电极的实木遗态芯层结构调控、金属/非金属复合掺杂对不同结构基体材料电化学性能的影响、薄木/纸基叠层结构木材陶瓷Co、Mn掺杂自支撑电极与电化学性能、竹基叠层结构木材陶瓷组装CNT的结构调控与电化学储能、生物质炭基自支撑电极的催化、活化与储能机制探析。
本书可供从事木材陶瓷、生物质材料以及电化学储能材料等研究和应用的各类技术人员参考。

生物质炭基木材陶瓷是一种以木材或植物基材为模板、添加热固性树脂、采用人工耦合制备而成的新型生物质炭基复合材料。由片层材料相互叠加所制备的叠层结构木材陶瓷具有结构稳定、质量轻、比强度高、孔隙层级丰富等优势，在充分保持生物质材料天然精细结构的基础上可赋予其特殊的功能，在储能与电磁屏蔽、润滑与摩擦、防腐与保护、保温与隔热、高温过滤与吸附等领域具有广泛的应用前景。
自支撑叠层结构木材陶瓷电极虽然源于生物质，但是在充分利用生物质多层级孔隙结构的基础上，借助现代材料复合与仿生技术制备而成。因此，其实质上与生物质炭有着较大的差别。可加工成具有较高强度的固体块（片）状炭基材料而直接用作电极，也可以经过设计与调控后代替金属集流体负载活性储能材料。基于炭基材料良好的导电性、多孔性和耐酸碱腐蚀性，叠层结构木材陶瓷自支撑电极在电化学储能方面更具优势。
本书包括8章，主要涉及结构设计、外覆层和芯层材料的选用、制备工艺等，同时对不同木材陶瓷自支撑电极的电化学性能进行分析，并对储能机制进行探究。第1章绪论部分主要概述了木材陶瓷与自支撑电极的结构以及国内外最新的研究动态，分析了叠层结构的优劣势，在此基础上提出了将叠层结构木材陶瓷用于自支撑电极的构思。第2章从材料设计的角度分析了叠层结构木材陶瓷自支撑电极的基本性能要求、结构设计要素，以及基于电化学性能的结构调控方法，为后续内容奠定理论基础。第3章从三维网络结构的角度出发，对生物质粉末和泡沫结构材料用于芯层材料的制备工艺过程、性能表征，以及负载与组装Mn离子和碳纳米管（CNT）对电化学性能的影响进行了分析。第4章则以叠层结构木材陶瓷自支撑电极的实木遗态芯层材料为对象，分析催化石墨化、组装与掺杂金属离子、石墨烯量子点等对电化学储能的贡献。第5章分析了金属与非金属元素负载对不同结构基体电化学性能的影响与改善，拟发挥基体材料、金属离子和非金属离子的协效储能效应。第6章探讨以薄木和纸为基材，构建叠层结构木材陶瓷自支撑电极，并分析了叠层结构形貌、Co和Mn掺杂的催化作用，以及三者协同对能量与功率密度的贡献。第7章探讨以竹薄木与竹纤维为基材，设计与制备竹基叠层结构木材陶瓷自支撑电极，通过Ni催化原位生长和气相沉积CNT对孔隙结构进行调控，从而提升电化学性能。第8章在前几章研究的基础之上，对CNT的生长、过渡金属催化石墨化、基体材料的造孔与活化以及电化学储能等的机制进行分析与总结，拟为木材陶瓷自支撑电极的制备与应用提供技术与理论支撑。其中，第3章的部分内容由张传艳和陈浩伟提供资料；第5章和第6章的部分内容由李銮玉提供资料；其余章节由孙德林、余先纯完成。
本书是在国家自然科学基金面上项目——竹基叠层结构木陶瓷多维孔隙的碳纳米管协同构筑与高密度储能机制（项目批准号：32071851）的资助下完成的，主要数据与结论源自课题组的试验与总结。同时，本书还得到了湖南省自然科学基金面上项目——低维材料修饰三明治结构竹基木陶瓷导电网络调控机制与增效储能机理（项目批准号：2023JJ30998）的资助。
在写作过程中，尽量取材于这些课题的研究成果，并力求与国内外的最新研究内容及重要成果相结合。鉴于所涉及的内容和领域较广，且作者学识有限，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正。

作者
2024年6月于长沙

第1章绪论001
1.1生物质炭基材料与木材陶瓷002
1.1.1生物质炭基材料002
1.1.2炭基木材陶瓷005
1.1.3木材陶瓷复合材料006
1.2三维网络结构木材陶瓷009
1.2.1实木（竹）基材010
1.2.2木（竹）粉末基材011
1.2.3中密度纤维板基材011
1.2.4农作物秸秆基材011
1.3叠层结构木材陶瓷016
1.3.1层状结构016
1.3.2夹层结构019
1.4炭基自支撑电极与木材陶瓷自支撑电极021
1.4.1生物质炭基自支撑电极021
1.4.2不同结构木材陶瓷自支撑电极024
参考文献027

第2章叠层结构木材陶瓷自支撑电极的基本性能与结构030
2.1木材陶瓷电极的基本性能030
2.1.1物理性能030
2.1.2化学性能032
2.1.3电学性能034
2.2叠层结构木材陶瓷结构的影响因素036
2.2.1夹层结构的芯层基体和层状结构基体036
2.2.2烧结工艺037
2.2.3掺杂与负载043
2.3基于材料的芯层基体结构设计要素045
2.3.1生物质粉末与纤维045
2.3.2木（竹）薄片材料047
2.3.3木（竹）块状材料047
2.3.4纸基材料048
2.4基于电化学性能的基体结构调控048
2.4.1基材预处理049
2.4.2物理活化调控050
2.4.3碱液水热活化调控050
2.4.4碱烧结活化调控050
2.4.5造孔剂烧结活化调控052
2.4.6磷酸活化调控053
2.4.7石墨化调控055
2.4.8电沉积负载调控056
2.5本章小结060
参考文献060

第3章叠层结构木材陶瓷自支撑电极的三维网络芯层构建062
3.1三维网络芯层基体构建062
3.1.1生物质粉末自支撑基体062
3.1.2人工泡沫结构自支撑基体063
3.2生物质自支撑电极芯层基体的工艺过程064
3.2.1制备工艺流程064
3.2.2基本工艺因素064
3.3最佳工艺参数分析064
3.3.1物料比对电化学性能的影响065
3.3.2活化温度对电化学性能的影响065
3.3.3活化时间对电化学性能的影响067
3.4基本性能表征069
3.4.1孔隙结构069
3.4.2物相构成070
3.4.3电化学性能070
3.5木质素基碳纳米片组装木材陶瓷芯层材料073
3.5.1制备工艺与方法073
3.5.2序列组装与调控073
3.5.3基本性能表征074
3.5.4电化学性能077
3.6泡沫状木材陶瓷组装碳纳米管芯层材料080
3.6.1工艺过程080
3.6.2结构与物相构成表征081
3.6.3电化学性能084
3.7石墨烯孔洞化与Co(OH)2组装调控087
3.7.1石墨烯孔洞化087
3.7.2组装与调控087
3.7.3形貌与结构表征088
3.8本章小结089
参考文献090

第4章叠层结构木材陶瓷自支撑电极的实木遗态芯层结构调控092
4.1遗态结构木材陶瓷芯层材料结构构建092
4.1.1实木基材预处理093
4.1.2三维网络结构形成093
4.2石墨烯序列组装与可控制备093
4.2.1层层自组装094
4.2.2电化学沉积组装094
4.2.3可控制备机制097
4.3石墨烯转化、金属离子掺杂与负载099
4.3.1催化石墨化与金属离子掺杂100
4.3.2SEM观测100
4.3.3XRD、RS与XPS分析101
4.3.4XRD、EDS、元素映射与TEM分析104
4.4电化学性能106
4.4.1H3PO4活化Ni2+掺杂松木遗态结构芯层材料106
4.4.2Ni2+掺杂石墨烯组装实木芯层材料108
4.5针状MnO2组装对电化学性能的提升111
4.5.1制备工艺过程111
4.5.2微观形貌与结构112
4.5.3电化学性能113
4.6本章小结117
参考文献117

第5章金属/非金属元素复合掺杂对不同基体电化学性能的影响119
5.1Mn/MnOx负载对芯层基体电化学性能的改善119
5.1.1MnOx负载工艺过程120
5.1.2微观形貌120
5.1.3孔结构与比表面积122
5.1.4化学构成123
5.1.5电化学性能125
5.2Co/CoO复合木基遗态结构锌空气电池电极131
5.2.1Co、N共掺杂电极构建131
5.2.2基本性能132
5.2.3电化学性能分析134
5.3Co(OH)2修饰木基遗态结构超级电容器自支撑电极136
5.3.1负载Co(OH)2电极制备136
5.3.2性能与表征136
5.3.3电化学性能评价138
5.4N、P共掺杂Ni2+催化夹层结构自支撑电极142
5.4.1水热共掺杂实验设计与优化143
5.4.2形貌与孔隙构造特征144
5.4.3表面化学构成146
5.4.4基本物相构成148
5.4.5电化学性能综合分析149
5.5本章小结151
参考文献152

第6章Co、Mn掺杂薄木/纸基叠层结构自支撑电极电化学性能156
6.1Co2+掺杂薄木/松针夹层结构自支撑基体构建与性能156
6.1.1基体材料构建157
6.1.2形貌与孔隙结构157
6.1.3物相构成与元素分布160
6.1.4Co2+掺杂与夹层结构对电化学性能的影响163
6.2MnO2负载对电化学性能的影响167
6.2.1循环伏安168
6.2.2恒电流充放电168
6.2.3交流阻抗169
6.2.4循环性能、能量与功率密度169
6.3Mn4+电沉积负载Co2+掺杂夹层结构木材陶瓷171
6.3.1电沉积负载工艺171
6.3.2试验设计与优化172
6.3.3最佳工艺验证与电沉积机理175
6.3.4孔隙结构与表面化学构成175
6.4Mn4+烧结掺杂纸基层状结构木材陶瓷177
6.4.1基本工艺流程178
6.4.2显微结构178
6.4.3化学构成179
6.4.4电化学性能181
6.5本章小结183
参考文献183

第7章CNT组装竹基叠层结构自支撑电极的结构优化与电化学储能186
7.1竹基炭与木材陶瓷187
7.1.1竹材及竹炭储能电极材料187
7.1.2CNT与储能187
7.1.3孔隙调控与低维材料组装188
7.2夹层结构设计188
7.3Ni催化原位生长CNT/竹基夹层结构木材陶瓷自支撑电极190
7.3.1夹层结构基体构建190
7.3.2CNT原位生长与影响因素190
7.3.3孔隙结构193
7.3.4物相构成194
7.3.5电化学储能194
7.4Co2+催化气相沉积CNT修饰夹层结构自支撑木材陶瓷电极198
7.4.1工艺过程198
7.4.2实验优化设计与表征200
7.4.3比表面积与孔结构200
7.4.4微观形貌与物相构成202
7.4.5电化学性能208
7.5本章小结212
参考文献213

第8章生物质炭基自支撑电极的催化、活化及储能机制探析216
8.1过渡金属元素催化216
8.1.1CNT催化生长机制217
8.1.2催化石墨化与结构演变机制219
8.2木材陶瓷自支撑基体造孔与活化机制221
8.2.1酸碱预处理造孔与活化221
8.2.2碱烧结活化2248.2.3水热活化225
8.3电化学储能机制探析227
8.3.1基于实木遗态结构的电化学储能227
8.3.2基于夹层结构的电化学储能229
8.4本章小结232
参考文献233

致谢235