一、研究背景

能源一直是人类生存和发展的先决条件，长期稳定的能源供应是人类文明不断进步的重要保证。超级电容器作为一种能够存储和释放能量的器件，由于其具有能量释放和存储速度快、输出密度高、充放电损耗小、温度范围宽等优点，在储能领域得到了广泛的应用。在实际应用中，超级电容器的电化学性能在很大程度上取决于电极材料的性能。

碳纳米纤维具有高比表面积、优异的导电性和在长期充放电过程中良好的循环稳定性等优点，被广泛用作电化学储能装置的电极材料。先进的制备技术是获得高性能纳米纤维的重要保证。目前，碳纳米纤维的制备方法主要有化学气相沉积、模板法、碳化法和静电纺丝法。与其他技术相比，静电纺丝技术具有自立性、可扩展性和过程可控等优点。同时，通过静电纺丝设备制备的纳米纤维具有新颖的形貌和结构，为增加电极与电解质之间的接触面积和降低离子传输电阻提供了重要的支持。因此，利用静电纺丝技术制备具有优异电化学性能的纳米纤维材料已成为近年来的研究热点。在具有良好电化学性能的生物质基碳纳米纤维上做了一些出色的研究。例如，Huang等人获得了木质素基碳纤维，其比电容和能量密度分别达到143.58 F g−1和19.9 Wh kg−1。Ma等人利用静电纺丝技术制备了表面光滑的超细多孔碳纳米纤维，其作为电极的电容达到289 F g−1。Du等人的研究表明，在0.5 a g−1电流密度下，木质素基碳纳米纤维对称超级电容器的最佳比电容为139.4 F g−1，在3500 W kg−1电流密度下，能量密度为41.4 Wh kg−1。

虽然生物质作为一种可再生资源受到了很多关注，但目前大多数研究仍然集中在它的三个主要成分上（如木质素、纤维素和半纤维素）。相比之下，利用生物质热解/气化过程的副产品生物质焦油制备电纺碳纳米纤维及其在电化学储能领域的应用尚处于起步阶段。一些研究表明，生物质焦油由于其独特的粘弹性，可以被认为是一种具有显著石墨化潜力的软碳材料。更重要的是，在生物质热解/气化行业，仍然缺乏有效的生物质焦油处理手段。生物质焦油的不合理处理带来了一系列严重的环境问题，包括土壤污染、水污染、大气污染等。因此，探索生物质焦油转化为高性能纳米碳纤维及其在电化学储能领域的应用，不仅有效解决了上述问题，而且实现了生物质焦油的高价值利用，对推进可持续发展战略具有重要意义。

以松木热解产生的生物质焦油为原料，制备了焦油基电纺碳纳米纤维，并对纤维的电化学性能进行了研究。分析比较了焦油的加入对纳米碳纤维结构的影响。此外，系统地分析了添加量不同的焦油基碳纳米纤维的电化学性能。系统地阐述了纳米纤维电化学性能的演化机理。本研究旨在为以生物质焦油为原料制备碳基静电纺丝纳米纤维提供可能性，并进一步探索其在电化学储能方面的潜在应用。总而言之，这些努力为生物质资源的高价值利用和储能产业的可持续发展提供了宝贵的见解和思路。

二、摘要

通过静电纺丝设备制备的生物质基纳米纤维在超级电容器领域具有广阔的应用前景。采用静电纺丝技术制备生物质焦油基碳纳米纤维（CNFs），并在CNFs表面生长CoNi纳米片。所得电极材料具有三维开放花瓣状纳米纤维结构，电化学性能结果表明，CoNi@CNF-1在0.5 a g−1时的比电容为474.4F g−1，能量密度为65.9 Wh kg−1，功率密度为250 W kg−1。在经过5000次充放电循环后，CoNi@CNF-1在三电极系统中仍保持其原始电容的95.4%。该工作为生物质焦油的有效处理及其在电化学储能领域的应用提供了重要参考。

三、结论

本研究合成了生物质焦油基电纺碳纳米纤维，并将其作为电极材料。良好的形貌和结构保证了它具有优异的电化学性能。具有良好的可逆性和电双层电容特性。最优CoNi@CNF-1在0.5 a g−1时的比电容为474.4F g−1，能量密度为65.9 Wh kg−1，功率密度为250 W kg−1。经过5000次循环后，样品的电容保持率为原始电容的95.4%。基于这些结果，生物质焦油可以被认为是制备储能装置电极的低成本原材料。本研究为生物质资源的高价值利用和储能产业的可持续发展提供了有价值的见解和思路。

图1.CoNi@CNFs的制备过程。

图2.(a) CoNi@CNF-0, (b) CoNi@CNF-1, (c) CoNi@CNF-2, (d) CoNi@CNF-3的SEM图像；(e) CoNi@CNF-1的EDS图像；(f) EDS测试；(g) CoNi@CNF-1的TEM图像。