在可持续发展观已成为全球性共识的环境背景下,合理开发利用生物质材料逐渐受到关注。纤维素,广泛存在于生物质材料细胞壁中,是自然界中储存量最多的天然聚合物。利用纤维素进行纳米化处理后制备出纳米纤维素(cellulose nanofiber,CNF),然后构建成具有高导电性、高比表面积和较宽的孔径分布范围的三维网络结构碳气凝胶材料,对于超级电容器电极材料来说是一种很好的选择。但是由于碳气凝胶材料电容性较低,应用在超级电容器时能量密度较低,阻碍了碳气凝胶材料在超级电容器上的发展,因此需要对碳材料进行改性处理以提高其电容性能。其中,氮元素的掺杂不仅能够改善碳材料的表面性质,增强碳材料的润湿性,还能提高碳材料的导电性,以此来提高碳气凝胶材料的电化学性能。因此,本实验利用纤维素为原材料,尿素为氮源,通过对纤维素碳材料进行氮掺杂处理来获得一种低成本、高比电容的超级电容器电极材料。实验过程中表明:(1)以杨木纤维素粉为原材料,通过粉碎研磨处理、高压均质处理等方法来得到不同尺寸的纳米纤维素,纳米纤维素在不同尺寸下对自组装性能有着重要的影响。同时,不同处理下得到纳米纤维素经过高温碳化后制备的纳米纤维素碳气凝胶电化学性能也有着较大的差别。当纤维素经过均质20次后得到的气凝胶自组装性能最为优异,并且电化学性能最高。(2)以杨木纤维素粉为原材料,通过在不同碳化温度下获得相应的碳气凝胶,碳化温度不仅影响着碳气凝胶材料的碳化程度、导电性,碳化温度对碳气凝胶内部形貌结构也有着重要的影响,随着碳化温度的升高,碳气凝胶内部的片层结构减小,纤维状结构相对增加,碳气凝胶的比表面积、孔容增加;当碳化温度达到800℃时,碳气凝胶内部介孔孔容最大,在电流密度为0.5 Ag-1时,比电容最高可达到172.7 Fg-1,并且循环稳定性能较为稳定,经过5000圈的循环伏安测试后比电容还能保持为初始比电容的89.43%;碳气凝胶内部形貌结构对碳气凝胶电极材料的电化学性能有着重要的影响。不同浓度纳米纤维素凝胶在相同温度下制备的碳气凝胶,由于内部结构不同造成电化学性能不同。(3)提供了一种制备简单、成本低、氮掺杂量高、环保无害的掺氮碳材料。以纤维素粉为原材料,尿素为氮源,通过气相循环法对碳气凝胶材料进行氮掺杂处理是进一步提升纳米纤维素碳材料电化学性能的有效方法;尿素对纳米纤维素气凝胶和碳气凝胶的孔结构、比表面积有着至关重要的影响,由于氮原子的作用使样品CA-N具有多级孔结构,并且可以增加碳材料表面的润湿性能;尿素对纳米纤维素气凝胶和碳气凝胶的掺杂处理分别有着不同的效果,这是因为碳材料内部的键合结构较弱,在进行氮掺杂处理时更容易使氮原子结合在碳材料内部;进行氮掺杂的尿素质量对于纳米纤维素气凝胶和碳气凝胶电化学性能的提升有很大关系,当氮掺杂尿素的质量为3g时,纳米纤维素气凝胶和碳气凝的比电容可以达到最佳性能,在电流密度为11Ag-1时,样品CA-N的比电容可达253.7Fg-1;最后对氮掺杂碳气凝胶材料进行组装成简易的超级电容器进行分析。本论文以绿色可持续发展的木材纤维素为前驱体,分别通过酸水解处理、研磨和高压均质处理得到的纳米纤维素对自组装气凝胶性能上有着较大的影响;不同温度碳化的碳气凝胶不仅在碳化程度上不一样,碳气凝胶内部结构也受到了影响,同时,碳气凝胶内部结构和其电化学性能有着较大的关系;以尿素为氮源制备的氮掺杂碳气凝胶有着较为优异的电化学性能,同时在不同阶段进行的氮掺杂处理后氮的掺杂量不同,氮掺杂碳气凝胶材料可以作为一种优异的电极材料使用在超级电容器上。