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螺旋碳纤维(Helical carbon fibers,HCFs)是一种具有独特的三维螺旋结构的新型碳材料,其优异的机械、电、磁学性能和多功能性,使其在传感器、微波吸收和能量存储等领域具有良好的应用前景,而备受关注。然而,在运用催化热裂解等方法制备螺旋碳纤维材料的过程中,螺旋碳纤维材料的结构与性能受催化剂种类、大小、形状和反应性气体等的极大影响。因实验参数可控性差,且不同过渡金属催化剂活性以及碳沉积或冷凝能力并不相同,使得高纯度HCFs的可控生长和重复性制备非常困难。此外,残留的催化剂分子会降低HCFs的应用性能,需要长时间精准去除。这一系列的障碍限制了 HCFs的应用和发展,因此探索无催化剂条件下高效制备,结构优化和性能调控以及新应用技术开发对螺旋碳纤维及其复合材料应用和发展至关重要。本论文选用来源丰富的生物质为原材料,探索螺旋碳纤维材料无催化剂条件下的高效、可靠性制备;基于其独特的螺旋结构,通过构建多孔结构和复合结构,实现其电化学性能和发光性能的优化调控,为新型螺旋碳纤维基材料的研制和应用提供良好的理论和实践基础。主要研究内容和结果如下:(1)以废茶叶中的螺纹导管为模板,通过简单的一步碳化法,实现了螺旋碳纤维材料的无催化剂、高效可靠性制备。结果显示:在氮气保护(流量为70mL/min)下,500℃碳化2h后,其螺旋结构特征明显,螺旋线圈直径约10μm,纤维直径约为1μm;采用KOH化学活化法,通过控制活化剂用量,进行多孔结构设计和优化,实现其电化学性能的调控。研究结果表明,在KOH/HCFs质量比为5时,获得的多孔螺旋碳纤维(JTB5)材料具有超高比表面积(3124.66 m2/g),在2mol/L H2SO4电解液中,1 A·g-1电流密度下的比容量高达504.5 F/g;5 A·g-1电流密度下,经500次充放电循环测试后,比容量仍保持90.5%。结果表明:采用生物模板法制备的多孔螺旋碳纤维材料JTB5具优良的电化学性能,是一种良好的双电层超级电容器电极材料。(2)基于其螺旋结构,采用溶剂热法,以二水合氯化铜(CuCl2.2H2O)为铜源,硫脲(CH4N2S)为硫源,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水的混合溶液为溶剂(VDMF:V水=1:1),构建了螺旋碳纤维/硫化铜复合材料(Cu-HCFs)。通过控制物料比、反应温度和时间等,调控螺旋碳纤维/硫化铜复合材料的形貌、结构和尺寸大小等。三电极电化学测试表明:硫化铜的形貌、尺寸等对复合材料的电化学性能有很大影响。硫化铜的引入可以有效提高螺旋碳纤维复合材料的比电容量,在5M KOH电解液中0.5 A·g-1电流密度时比电容量高达877.1F/g。硫化铜的直径越小,复合材料的电化学性能越高(比电容量:TLB2>TLB1或TLB1-120>TLB1-145)。因为尺寸越小,硫化铜在螺旋碳纤维上结合性越好,增加了复合材料的导电性,有利于二者协同作用。此外,相对于硫化铜尺寸而言,硫化铜晶体的形貌对复合材料的比电容也有影响,微球状结构>簇状结构>类花状结构(比电容量:TLB0.4>TLB 1-120>TLB2)。(3)以氧化铕(Eu2O3)为铕源,氟化钠(NaF)为氟源,采用水热法制备螺旋碳纤维/氟化铕复合材料(Eu-HCFs)。光致发光测试结果未表现出Eu3+的特征发射峰,而碳纤维在354nm波长处的发射峰明显增强。荧光寿命测试表明碳化后,Eu-C间存在能量传递,增强了 HCFs的紫外发射。此外,电化学测试结果表明:螺旋碳纤维/氟化铕复合材料(Eu-HCFs)还具有良好的超级电容性能。在3mol/LKOH电解液中,1A·g-1电流密度时Eu-HCFs比电容量可达232.6F/g,且导电性较好,等效串联电阻仅0.95Ω。