1．目的及意义

随着全球经济的迅速发展，化石能源的快速消耗和环境污染的日益恶化，人类对可持续和可再生能源的需求日益增加，能源供应和环境保护已经成为世界的两大主要难题。为了解决这些难题，发展低成本、可持续并且环境友好的新型能量转换和存储装置成为科学家们的重要使命^[1-2]。

20世纪30年代，具有快速充放电优点的传统电容器被发掘，但是由于传统电容器的电容量并不高，而且能量密度低，因此开发同时具备高能量密度、高电容、快速充放电速率的电容器成为科学家们研究的重点。十九世纪初，Helmholtz提出了双电层理论：电极与电解质溶液间加上一定电压后，会使这一界面上生成数量相同符号相反的两层电荷，形成双电层^[3]。1957 年，Becker 基于这一理论，制备出既具有高能量密度又具有高电容的电容器储能装置，该类装置被誉为“超级电容器”。1975年Conway提出法拉第赝电容的储能原理，使超级电容器得到长足发展。超级电容器是一种介于传统电容器和化学电池的新型储能器件，具有高能量密度、高功率密度、充放电效率高、循环使用寿命长、稳定性高、温度适用范围广、对环境无污染等独特性能^[2，4]。面世以来，就备受青睐，在电力、交通、工业与机械中得到了广泛应用。日本NEC、松下、本田和美国Maxell等公司开发出的小型电容器已开始推向市场。我国将“超级电容器关键材料的研究和制备技术”列入到《国家中长期科学和技术发展纲要（2006-2020年）》^[5]。

根据储能机制的不同，超级电容器可被分为双电层电容器（EDLC）和赝电容器。赝电容器也被称为法拉第电容器，其工作原理是在电极表面上，活性物质进行欠电位沉淀过程，发生可逆的氧化还原反应，从而实现电能与化学能转换以储存能量。赝电容器电极材料为过渡金属氧化物和导电聚合物。过渡金属氧化物有二氧化锰、氧化镍、五氧化二钒等，导电聚合物是聚乙炔、聚苯胺等。在相同体积或重量下，赝电容器的理论电容值是双电层电容器的10-100倍，但赝电容器电极材料的性能受到很多因素的影响，主要因素有结构形貌、氧化还原可逆性、导电性等，导致赝电容器循环稳定性相对较差^[7]。

双电层电容器的工作原理基于Helmholtz平板电容器模型理论，即利用离子在电极和溶液界面上定向排列后，形成双电层电容^[5-6]。充放电时，只有静电荷储存和转移发生，电极材料自身并没有参与氧化还原，所以双电层电容器使用寿命长，不会对环境产生辐射、重金属等污染。目前研究较多的双电层电容器电极材料为多孔碳材料，具有代表性的有活性炭、有序介孔碳、碳气凝胶、碳纳米管以及石墨烯基碳等材料^[9-10]。商业化的多孔碳虽然有大的比表面积，可以为电荷的存储提供更多的活性位点，但是其内部具有众多闭孔，孔道结构通常也没有规则性，这严重阻碍了电解质离子进入内部孔道，使得电容性能较差。同时，由于水系电解液分解电压低（水的理论分解电压是1.23V），故一般工作电压窗口低于1.2V，这导致双电层电容器的能量密度和功率密度很难提高。而有机系电解液^[11]的黏度较大，导电性低，电阻大，因此双电层电容器的比电容较小。因此合成具有高比表面积、有序合理的空隙分布和低内电阻的多孔碳材料成为了提高双电层电容器性能的研究重点。

聚氨酯泡沫炭化后可得到一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具三维网状结构、呈类海绵状的新型炭质材料，具有低密度、耐高温、耐腐蚀、高强度、隔热好、多孔隙等优点，是一种良好的双电层电容器的电极材料^[12-13]。聚氨酯泡沫制备方法简单、原材料廉价易得。同时，聚氨酯泡沫炭含有氮元素更有利于电荷的储存与转化。首先，带孤对电子的氮与碳材料上的π电子相结合，活化原本惰性的π电子从而引入赝电容效应提高比电容，但诱发的赝电容效应与金属氧化物通过氧化还原反应形成的法拉第电容是不同的，是一种快速反应，比电容不会受到充放电速率的限制^[14]。其次，氮的引入增加了材料的亲水的极性活性点，提高电解质溶液对材料的浸润性，从而提高储存电荷的能力。曾等^[15] 通过静电纺丝和碳化制备含氮分层多孔碳纳米纤维，其研究结果表明，含有10wt％热塑性聚氨酯的样品在电流密度分别为0.2、0.5和1.0 A g^-1时的比电容为207、203和198 F g^-1。陈等^[16]制备了三维氮掺杂活性纳米纤维并组装成高功率密度全固态超级电容器，其功率密度可达 390.53 kW kg^-1。这说明氮的掺杂可以提高超级电容器的电化学性能，同时可以看到含氮分层多孔碳纳米纤维作为超级电容器电极材料的光明前景。但在实际生产中，聚氨酯泡沫作为电容器电极材料并没有得到推广与发展。这是由于在聚氨酯泡沫高温碳化的过程中，大分子链的断裂和羧基、酯基等官能团的分解在形成均匀的孔隙结构时也带来碳率低、结构易塌陷、导电率低等缺点。因此对聚氨酯泡沫材料进行改性，使其获得高比表面积、合适的孔径分布并兼具原有的优异性能势在必行。

目前，针对聚氨酯泡沫缺点的研究主要集中在用碳纳米管、碳纤维和石墨烯材料改性聚氨酯泡沫基体，旨在增强复合材料强度、改变材料亲疏水性能、增加材料导电性 ^[17]。丁等^[18]制备了多功能聚氨酯型石墨烯纳米带海绵，其研究结果表明，复合海绵既保持了聚氨酯泡沫的三维网络结构，又具有良好的电化学性能。邓等^[19]利用弯曲的碳纳米管板在形状记忆聚氨酯基板上发展，制备出纤维形状的超级电容器，其研究结果表明在变形、变形状态和恢复后，纤维状超级电容器的电化学性能保持良好。徐等^[20]通过海绵模板法和KOH活化法制备氧化石墨烯的3D分级多孔碳，在水系电解液中以三电极结构测量的比电容为401 F g^-1，分级多孔碳表现出高比电容的优异电化学行为。李等^[21] 用石墨烯氧化物和酚醛树脂溶液成功地合成了三维层状多孔石墨烯/碳复合材料,其研究结果表明，这种复合材料具有优异的电容性能，在高电流密度50 A g^-1时的比电容还能达到186.5 F g^-1。与石墨烯、碳纳米管一样，碳纤维在增强材料导电性方面也有重要的应用。因其化学性能稳定，大孔、中孔、小孔相互紧密，十分有利于电解液的传输和电荷的吸附，故可与聚氨酯泡沫复合作为双电层电容器的电极材料。

本课题以聚酯、MDI为原料，用一步法制备聚氨酯泡沫材料。在对相关影响因素全面探究后，通过添加碳纤维来解决聚氨酯泡沫产碳率低、结构易塌陷、导电率低等问题。以聚氨酯为碳源与氮源、碳纤维为骨架，通过高温碳化以获得多孔、高比表面积、高电导率的多孔碳材料。采用相关电化学方法研究这些多孔碳材料的电容性能，探讨多孔碳材料的表面结构和形貌与其电容性能之间的关系，以构建一种具有电容性能优异、高稳定性的超级电容器电极材料。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title} 本课题的研究（设计）的目标：

（1）探寻碳纤维加入到聚氨酯中的方法，活动孔径均匀的聚氨酯/碳纤维泡沫；

（2）探讨含有不同质量碳纤维的聚氨酯泡沫在最佳碳化温度下的电容性能差别，确定最佳电容性能时加入纤维的含量；

本课题的研究（设计）的基本内容：

（1）制备碳纤维/聚氨酯泡沫复合多孔碳材料，并通过高温碳化后制备电容器；