1.文 献 综 述

1.1前言

人类工业文明，是建立在能源消耗的基础之上，随着人类工业文明的快速发展，环境问题和能源问题已成为社会可持续发展的两大危机。因此，对环保、高效和可持续的新型能源的研究开发，是当下国内外，学术和商业研究的重点、难点和热点。

太阳能电池是其中一个热门研究方向，而量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot-sensitized Solar Cells，简称QDSC），是第三代太阳能电池中的染料敏化太阳能电池（DSSC）的改进版，是采用无机半导体量子点取代有机染料分子作为敏化剂而制备成的一种新型的敏化太阳能电池。量子点敏化太阳能电池的基本结构为半导体光阳极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极。其中对电极的功能是将电子传输到电解质中以还原其中的氧化还原电对，实现循环回路。可看出其需要良好的导电性，通常以Pt作为对电极。

目前，过渡金属及其氧化物、氢氧化物负载的碳材料已广泛应用于电化学领域。鉴于传统的碳材料（碳纳米管碳、石墨烯等）制备过程复杂且条件苛刻、成本高、环境污染大等问题，以生物质为碳源制备碳材料的研究逐渐受到重视^[1]。

根据国际能源机构（IEA）的定义，生物质（biomass）是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质碳化一般而言是指含碳的可燃性生物质在隔绝空气下加热分解为气体、液体和固体的过程。在本文的研究内容中，主要指，生物质（如多糖羧甲基纤维素，细菌纤维素和柠檬酸等）通过碳化和活化制备碳材料。多孔碳材料可调控的孔径尺寸为电解液离子迅速扩散到电极表面提供了有效帮助，而且高比表面也可以使得负载的金属及其氧化物暴露更多的活性位点。因此，多孔碳纳米材料有极大优点应用于电极材料。

1.2. 生物质碳化研究现状

1.2.1.生物质的基本组成

生物质是来自于大自然可循环利用可开发可再生的碳载体。通过文献查阅，大体上应用于制备碳材料有以下几种，葡萄糖是自然界分布最为广泛且极为重要的一类单糖^[1]；细菌纤维素是不同菌属中的微生物本身所行成的天然纤维素，在热带地区产量很大且种类丰富^[2]；壳聚糖为天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，具有生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌等特性^[2]，且与纤维素具有相近的化学结构；木质素是生物质的第三大组分^[3]，是自然界中除纤维素外的第二丰富的天然高分子化合物^[3]。花生壳，葵花籽，杏石，榛子壳，葡萄籽和栗子壳等生物质残留物量大，来源广。

1.2.2.生物质碳化方法

生物质作为原料来制备多孔碳材料，其活化方法多种多样，尽管有些生物质材料的宏观结构已经被研究发现或在一定程度上实现可控，但是通过热/活化的方法制备具有可改性表面和官能团的碳材料仍然具有挑战性。

水热碳化（HTC）生物质是合成新型碳基材料最主要和最有前景的方法，具有最广泛的应用潜力。在过去的二十年里，科研工作者们详细地研究了水热碳化过程，在解释和控制生物质转化成碳材料方面已经取得了许多进展^[4]。用该法制备多孔碳材料时，其前驱体可以是糖类物质也可以是天然植物，甚至丰富的农业废物和林业副产品也可以被用为原材料^[5]。根据使用温度的不同，水热碳化过程可以分为两种类型：（1）高温水热碳化过程，即在高温和高压下合成大量的碳材料（2）低温水热碳化过程，即在250℃的温度下促使其发生相应的化学转换，被认为是一种更加节能环保的方法^[6]。高温HTC过程的温度一般控制在300-800℃，这明显超过了普通有机化合物的稳定温度范围。而低温HTC过程，则可以通过简单地脱水和聚合等化学反应来合成功能碳材料。

近些年来又逐渐出现了模板法来合成多孔碳材料，此法可以有效地控制孔径和孔结构，被认为是制备多孔碳质材料最有效的方法之一。在整个合成过程中，模板简单地充当了一个支架的作用，引导碳化过程中孔结构的形成，从而有效地改善其有序程度^[7]。目前，根据模板剂在多孔碳质材料合成中起到的结构导向作用，可将模板剂分为两种类型，即软模板剂和硬模板剂^[7]。

直接合成法是Clark等人开辟了一种简单且环境友好的方法将低表面积的天然多糖转化成具有高孔隙度的多糖材料（如淀粉）^[8]。随后，将介孔多糖在可控的气氛和温度下进行碳化，从而形成一种新颖的具有可控表面官能度的碳材料，被命名“Starbon”。经碳化不同多糖产生的“Starbon”材料表现出介于多糖和碳之间的化学和表面特性，该特性主要取决于碳化程度^[8]。

高温热解法也是制备碳材料的常用方法，此法简单方便，且高温制备的碳材料石墨化程度高，导电性好；再利用其它活化剂或模板剂即可得到比表面积较大的多孔碳材料^[9]。