CN106449130B - 多级孔碳氮微球材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级孔碳氮微球材料的制备方法，包括以下步骤：A、用PAA溶液浸渍PU泡沫，真空下50～90℃干燥6～20h；B、将浸渍干燥后的PU泡沫在惰性气体气氛下加热，热处理工艺为：80～120℃加热0.5～3h，升温至170～230℃加热0.5～3h，再升温至270～330℃加热0.5～3h；C、步骤B热处理结束后在惰性气体气氛下，500～800℃焙烧1～6h，冷却到室温，即得。本发明方法简单、成本低、反应时间短，适合工业化生产，得到的碳氮微球材料具有理想的花状球形形貌、微孔‑介孔‑大孔的多级孔结构、大比表面积、高氮含量及优异的电化学性能，在超级电容器领域有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及新型碳材料的制备技术，具体涉及一种多级孔碳氮微球材料的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有功率密度高、循环寿命长、高低温性能好、安全无污染等优点而受到越来越广泛的关注，在消费电子、移动通讯、信息技术、电动汽车、医疗器械、航空航天、军事等诸多领域都有广阔的应用前景。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素。由于碳材料具有价格低廉、电化学稳定性好、比表面积和孔容量大等优点，现已成为超级电容器的首选电极材料。然而，单一孔径的多孔碳材料存在着一些缺点。例如，对于微孔碳材料(d<2nm)，由于其孔径小这一限制条件，使其内表面电解液浸润性差，可用比表面积很小，电解液离子在微孔内传输阻力较大，使得微孔比表面积在高功率密度条件下比电容衰减严重。对于介孔碳材料(2nm<d<50nm)，其比表面积不够大，由于小的介孔嵌入在大的颗粒中，离子扩散必须经过很长的距离，并且内部的孔结构很难被充分利用。大孔碳(d>50nm)具有极小的比表面积，导致其电容性能不佳。综上所述，无论是微孔碳、介孔碳还是大孔碳，在用作超级电容器电极材料时都有一定的局限性。
多级孔碳是具有大孔、介孔和微孔中两种或两种以上孔体系的一种新型碳材料。构筑具有微孔-介孔-大孔结构的三维多级孔结构是提高碳电极材料电化学性能的有效途径。在电解液浸润的情况下，大孔可以发挥离子缓冲池的作用；介孔可以作为电解液离子的传输通道；微孔可以提供大的比表面积，增加碳电极材料的比电容。因此，多级孔碳材料是高性能超级电容器的理想电极材料。
氮掺杂是提高碳电极材料电化学性能的另一有效途径。氮掺杂可以提高碳材料的表面润湿性和导电性，此外，含氮官能团还可以产生赝电容效应。氮掺杂碳材料主要通过后处理和原位合成两种方法制备。后处理采用氨气等含氮气体在高温条件下对预先合成的碳材料表面进行改性，或者在材料表面嫁接含氮有机基团。后处理方法一般步骤比较复杂，氮掺杂量较少，同时氮元素只对材料表面进行改性，碳材料的本体性质并没有发生改变。原位合成法通常是在碳材料合成过程中引入氮源或使用本身含有氮元素的碳源，在碳前驱体的碳化过程中，氮原子掺入碳材料内部。原位掺杂法可以实现均匀掺杂，氮原子可以进入到晶格内部，改变碳材料本体结构和性质，且氮掺杂量可控。最重要的是原位掺杂法步骤简单，省去了后处理步骤。
此外，多孔碳材料的形貌对其结构、特性及电化学性能都具有重要的影响。碳微球材料具有密度低、物理化学性质稳定、比表面积大等优点，有望成为高性能超级电容器电极材料。制备多孔碳球的方法主要有模板法，水热法和化学气相沉积法等。然后，上述方法通常都采用繁琐的实验步骤以及价格昂贵的模板剂，导致制备成本高，不易于大规模生成。因此，开发一种简便易行的低成本制备工艺是多孔碳微球领域急需解决的难题。
虽然氮掺杂多孔碳材料在超级电容器领域具有广泛的应用前景，但对于该方面的研究仍旧存在着如下问题：(1)目前氮掺杂碳材料的制备通常采用昂贵的原材料试剂，以及有毒的氮源，如吡咯、氨气或氰化氢等，普遍存在生产成本高、安全性差、环境污染等方面的问题；(2)制备氮掺杂多孔碳材料的步骤较繁琐，时间比较长，不利于工业化生产；(3)目前氮掺杂碳材料的研究大部分集中于对氮掺杂活性炭或氮掺杂介孔碳材料的研究，对于氮掺杂多级孔碳材料的研究很少见；(4)虽然对于氮掺杂碳材料以及多级孔碳电极材料有所研究，但是将氮掺杂改性与孔道结构优化结合起来设计高性能超级电容器电极材料的研究鲜为报道；(5)所研究的超级电容器用氮掺杂碳材料，大部分为粉末状或块状形貌，对于花状多级孔碳球用作超级电容器电极材料目前还没有相关文献或专利进行报道；(6)用作超级电容器电极材料的氮掺杂碳材料的氮含量通常比较低，为了充分发挥氮掺杂的优势，需要进一步提高氮含量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种具有理想的花状球形形貌、微孔-介孔-大孔的多级孔结构、大的比表面积、高的氮含量以及优异的电化学性能的碳氮微球材料的制备方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种多级孔碳氮微球材料的制备方法，包括以下步骤：
A、用聚酰胺酸(PAA)溶液浸渍聚氨酯(PU)泡沫，真空下50～90℃干燥6～20h；
B、将浸渍干燥后的聚氨酯(PU)泡沫在惰性气体气氛下加热，热处理工艺为：80～120℃加热0.5～3h，升温至170～230℃加热0.5～3h，再升温至270～330℃加热0.5～3h；
C、步骤B热处理结束后的聚氨酯(PU)泡沫在惰性气体气氛下，500～800℃焙烧1～6h，冷却到室温，得到多级孔碳氮微球材料。
作为优选地，步骤A中所述PAA溶液和PU泡沫对应的使用量为：每10～15cm3的PU泡沫，用5～15wt％PAA溶液5～15ml。
作为优选地，步骤B中热处理工艺为：90～100℃加热1～2h，升温至180～200℃加热1～2h，再升温至280～300℃加热1～2h。
作为优选地，所述惰性气体为氮气。
在上述技术方案中，所述PAA溶液的制备方法为：用均苯四羧酸二酐与4,4'-二氨基二苯醚在极性溶剂中缩聚得到。
在上述技术方案中，所述极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮或者N,N-二甲基乙酰胺或者N,N-二甲基甲酰胺。
本发明的有益效果是：
1.本发明以聚酰亚胺作为碳氮源，通过高温热处理碳化法将其转化为碳氮材料，其中，聚酰亚胺的酰亚胺链段上存在大量的氮原子，高温裂解后可以产生高氮含量的氮掺杂碳材料。这种原位掺杂法不仅步骤简单，省去了后处理步骤，而且可以实现氮元素在碳基体中的均匀掺杂，氮原子可以进入到晶格内部，从而改变碳材料本体结构和性质。
2.本发明所选用的原料均为廉价易得的化工原料，并选用商品化的PU泡沫(海绵)为大孔支架，避免采用有毒的原材料试剂和价格昂贵的模板剂等，具有工艺成本低、无环境污染等优点。
3.本发明与以往制备方法相比，主要包括简单的高温热处理碳化步骤，制备方法简单易行，工艺可控，反应时间短，且不需要使用复杂的实验设备和繁琐的实验步骤，易于进行工业化大规模生产。
4.本发明所得多级孔氮掺杂碳微球材料具有理想的花状球形形貌、微孔-介孔-大孔的多级孔结构，可控的表面特性以及优异的结构稳定性，高的氮含量，大的比表面积以及优异的电化学性能。
5.本发明所得多级孔氮掺杂碳微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，其中，微孔可以增大材料的比表面积、提高比表面的利用率、增加材料的双电层电容；介孔可以为电解液离子进入电极材料内部提供低阻力的通道；大孔可以储存大量的电解质离子，为电解液进入材料的内表面提供较短的扩散距离。
6.本发明制备的碳氮微球材料具有高的氮含量，氮原子的引入不仅增加了材料中亲水极性活性点，提高了电解液对材料的浸润性，还可以提高材料的电荷存储能力。此外，含氮功能基团还可以产生法拉第赝电容效应，从而提高碳电极材料的超电容性能。
7.本发明制备的碳氮微球材料用作超级电容器的电极材料时表现出高的比电容和优异的循环稳定性能，在超级电容器领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为实施例1制备得到的多级孔碳氮微球材料的扫描电镜(SEM)图像。
图2为实施例1制备得到的多级孔碳氮微球材料的透射电镜(TEM)图像。
图3为实施例1制备得到的多级孔碳氮微球材料的电化学测试结果图，其中a为循环伏安(CV)曲线，b为恒流充放电(GCD)曲线。
图4为实施例1制备得到的多级孔碳氮微球材料在电流密度1A/g的循环稳定性。
图5为实施例2制备得到的多级孔碳氮微球材料在电流密度1A/g的循环稳定性。
图6为实施例3制备得到的多级孔碳氮微球材料在电流密度1A/g的循环稳定性。
图7为实施例4制备得到的多级孔碳氮微球材料在电流密度1A/g的循环稳定性。
图8为实施例5制备得到的多级孔碳氮微球材料在电流密度1A/g的循环稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1：
一、制备多级孔碳氮微球材料，按照如下步骤操作：
(1)PAA溶液的制备
聚酰胺酸(PAA)是通过均苯四羧酸二酐(PMDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)在极性溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中缩聚得到的。首先分别用乙醇和乙酸酐对ODA和PMDA进行重结晶处理，密封保存；采用减压蒸馏法去除NMP中的水，重蒸后的NMP放于干燥器中保存；而后在室温和氮气气氛环境下，将摩尔比为1:1的ODA和PMDA加入到溶剂NMP中，搅拌6hr，进行缩聚反应，配制成质量百分含量为5wt％的聚酰胺酸溶液。
(2)多级孔碳氮微球材料的制备
A、采用15ml浓度为5wt％的PAA溶液浸渍体积为15cm3的商品化聚氨酯(PU)泡沫，真空下于50℃干燥20h。
B、将浸渍后的PU泡沫在氮气气氛下加热，热处理工艺为：80℃加热3h，升温至170℃加热3h，再升温至270℃加热3h，使得PAA在PU泡沫支架上转换成聚酰亚胺(PI)微球。
C、步骤B热处理结束后在氮气气氛下，600℃焙烧3h，而后冷却到室温，通过该步骤碳化过程去除PU泡沫支架，同时PI的有机组分发生高温裂解，并伴随着低分子量气体分子的产生以及多孔结构的形成，得到具有花状形貌的多级孔碳氮微球材料。
二、多级孔碳氮微球材料电化学性能的测试
采用三电极体系(铂丝为对电极，Hg/HgO电极为参考电极)，6M KOH溶液为电解液，在CHI 660D型电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。工作电极通过在NMP中混合90wt％的上述方法制备得到的多级孔碳氮微球材料和10wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)制得。将5mg上述材料涂覆到1cm×1cm的镍泡沫集流体上，60℃干燥12h。循环伏安测试电势窗口从-0.9V到0V，扫描速率从1mV/s到50mV/s。恒流充放电测试电流密度从1A/g到5A/g。比电容根据GCD曲线进行计算。
三、多级孔碳氮微球材料的性能测试与讨论
图1是本实施例所得多级孔碳氮微球材料的SEM图像。从图1a可以看出，材料具有三维相互连通的大孔结构，尺寸约100μm，这是由PU泡沫在碳化去除后留下的大孔结构，继承了PU泡沫的大孔结构特征。这些大孔对于电解质离子扩散进入内部介孔和微孔是非常重要的。在三维大孔支架上可以观察到均匀分布的单分散球形粒子(图1b)，尺寸大约为2.5～5μm，碳球表现出三维花状的多孔形貌，不仅为电解质提供了可接近的比表面积，而且通过缩短扩散距离促进了电解质的离子传输。
图2是本实施例所得多级孔碳氮微球材料的TEM图像。从图2a可以观察到大量的碳纳米晶须，主要来源于PI大分子链的碳化过程。碳纳米晶须的排列具有一定的有序性，并形成大约5nm的介孔孔道结构。而且，在碳基质中存在大量的微孔结构(图2b)，主要来源于高温下模板剂和聚酰亚胺的裂解过程。结合扫描电镜和透射电镜的表征结果，证实所得多级孔碳氮微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构。
所得多级孔碳氮微球材料的比表面积为834m2/g，总孔容为0.52cm3/g，氮含量为4.1％。通过电化学测试表明，多级孔碳氮微球材料具有优异的电化学性能。从图3a循环伏安曲线可以看出，所得CV曲线具有近似矩形的形状，表明其具有理想的双电层电容。从图3b的恒流充放电曲线可以看出所得GCD曲线具有几乎对称的三角形形状，表明多级孔碳氮微球材料具有良好的充放电性能。根据GCD曲线计算出的超电容性能如下：1A/g电流密度下的比电容为271.7F/g；2A/g电流密度下的比电容为252.9F/g；3A/g电流密度下的比电容为233.4F/g；5A/g电流密度下的比电容为210.6F/g。在1A/g电流密度下循环2000次后的比电容保持率为95.6％，如图4所示。由此可见，本实施例所得多级孔碳氮微球材料用作超级电容器电极材料时，表现出较高的比电容和优异的循环稳定性能。
实施例2：
一、制备多级孔碳氮微球材料，按照如下步骤操作：
(1)PAA溶液的制备
PAA是通过均苯四羧酸二酐(PMDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)在极性溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中缩聚得到的。首先分别用乙醇和乙酸酐对ODA和PMDA进行重结晶处理，密封保存；采用减压蒸馏法去除DMAC中的水，重蒸后的DMAC放于干燥器中保存；而后在室温和氮气气氛环境下，将摩尔比为1:1的ODA和PMDA加入到溶剂DMAC中，搅拌8hr，进行缩聚反应，配制成质量百分含量为10wt％的PAA溶液。
(2)多级孔碳氮微球材料的制备
A、采用10ml浓度为10wt％的PAA溶液浸渍体积为12cm3的商品化PU泡沫，真空下于70℃干燥15h。
B、将浸渍后的PU泡沫在氮气气氛下加热，热处理工艺为：100℃加热1.5h,200℃加热1.5h,300℃加热1.5h，使得PAA在PU泡沫支架上转换成PI微球。
C、步骤B热处理结束后在氮气气氛下，800℃焙烧1h，而后冷却到室温，通过该步骤碳化过程去除PU泡沫支架，同时PI的有机组分发生高温裂解，并伴随着低分子量气体分子的产生以及多孔结构的形成，从而得到多级孔碳氮微球材料。
二、多级孔碳氮微球材料电化学性能的测试
采用三电极体系(铂丝为对电极，Hg/HgO电极为参考电极)，6M KOH溶液为电解液，在CHI 660D型电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。工作电极通过在NMP中混合90wt％的活性材料(多级孔碳氮微球材料)和10wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)制得。将5mg上述材料涂覆到1cm×1cm的镍泡沫集流体上，50℃干燥20h。循环伏安测试电势窗口从-0.9V到0V，扫描速率从1mV/s到50mV/s。恒流充放电测试电流密度从1A/g到5A/g。比电容根据GCD曲线进行计算。
三、多级孔碳氮微球材料的性能测试
本发明实施例所得多级孔碳氮微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，比表面积为887m2/g，总孔容为0.56cm3/g，氮含量为4.8％。电化学测试结果表明，多级孔碳氮微球材料具有优异的电化学性能。所得CV曲线具有近似矩形的形状，表明其具有理想的双电层电容；GCD曲线具有几乎对称的三角形形状，表明多级孔碳氮微球材料具有良好的充放电性能。根据GCD曲线计算出的超电容性能如下：1A/g电流密度下的比电容为282.1F/g；2A/g电流密度下的比电容为261.5F/g；3A/g电流密度下的比电容为212.8F/g；5A/g电流密度下的比电容为219.3F/g。在1A/g电流密度下循环2000次后的比电容保持率为96.3％，如图5所示。由此可见，本实施例所得多级孔碳氮微球材料用作超级电容器电极材料时，表现出较高的比电容和优异的循环稳定性能。
实施例3：
一、制备多级孔碳氮微球材料，按照如下步骤操作：
(1)PAA溶液的制备
PAA是通过均苯四羧酸二酐(PMDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)在极性溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中缩聚得到的。首先分别用乙醇和乙酸酐对ODA和PMDA进行重结晶处理，密封保存；采用减压蒸馏法去除DMF中的水，重蒸后的DMF放于干燥器中保存；而后在室温和氮气气氛环境下，将摩尔比为1:1的ODA和PMDA加入到溶剂DMF中，搅拌10hr，进行缩聚反应，配制成质量百分含量为15wt％的PAA溶液。
(2)多级孔碳氮微球材料的制备
A、采用5ml浓度为15wt％的PAA溶液浸渍体积为10cm3的商品化PU泡沫，真空下于90℃干燥6h。
B、将浸渍后的PU泡沫在氮气气氛下加热，热处理工艺为：90℃加热1h,180℃加热1h,280℃加热1h，使得PAA在PU泡沫支架上转换成PI微球。
C、步骤B热处理结束后在氮气气氛下，500℃焙烧6h，而后冷却到室温，通过该步骤碳化过程去除PU泡沫支架，同时PI的有机组分发生高温裂解，并伴随着低分子量气体分子的产生以及多孔结构的形成，从而得到多级孔碳氮微球材料。
二、多级孔碳氮微球材料电化学性能的测试
采用三电极体系(铂丝为对电极，Hg/HgO电极为参考电极)，6M KOH溶液为电解液，在CHI 660D型电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。工作电极通过在NMP中混合90wt％的活性材料(多级孔碳氮微球材料)和10wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)制得。将5mg上述材料涂覆到1cm×1cm的镍泡沫集流体上，70℃干燥10h。循环伏安测试电势窗口从-0.9V到0V，扫描速率从1mV/s到50mV/s。恒流充放电测试电流密度从1A/g到5A/g。比电容根据GCD曲线进行计算。
三、多级孔碳氮微球材料的性能测试
本发明实施例所得多级孔碳氮微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，比表面积为949m2/g，总孔容为0.58cm3/g，氮含量为5.5％。通过电化学测试表明，多级孔碳氮微球材料具有优异的电化学性能。所得CV曲线具有近似矩形的形状，表明其具有理想的双电层电容；GCD曲线具有几乎对称的三角形形状，表明多级孔碳氮微球材料具有良好的充放电性能。根据GCD曲线计算出的超电容性能如下：1A/g电流密度下的比电容为301.2F/g；2A/g电流密度下的比电容为270.1F/g；3A/g电流密度下的比电容为221.4F/g；5A/g电流密度下的比电容为228.3F/g。在1A/g电流密度下循环2000次后的比电容保持率为96.6％，如图6所示。由此可见，本实施例所得多级孔碳氮微球材料用作超级电容器电极材料时，表现出较高的比电容和优异的循环稳定性能。
实施例4：
一、制备多级孔碳氮微球材料，按照如下步骤操作：
(1)PAA溶液的制备
PAA是通过均苯四羧酸二酐(PMDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)在极性溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中缩聚得到的。首先分别用乙醇和乙酸酐对ODA和PMDA进行重结晶处理，密封保存；采用减压蒸馏法去除NMP中的水，重蒸后的NMP放于干燥器中保存；而后在室温和氮气气氛环境下，将摩尔比为1:1的ODA和PMDA加入到溶剂NMP中，搅拌10hr，进行缩聚反应，配制成质量百分含量15wt％的PAA溶液。
(2)多级孔碳氮微球材料的制备
A、采用5ml浓度为15wt％的PAA溶液浸渍体积为10cm3的商品化PU泡沫，真空下于60℃干燥12h。
B、将浸渍后的PU泡沫在氮气气氛下加热，热处理工艺为：120℃加热0.5h,230℃加热0.5h,330℃加热0.5h，使得PAA在PU泡沫支架上转换成PI微球。
C、步骤B热处理结束后在氮气气氛下，600℃焙烧3h，而后冷却到室温，通过该步骤碳化过程去除PU泡沫支架，同时PI的有机组分发生高温裂解，并伴随着低分子量气体分子的产生以及多孔结构的形成，从而得到多级孔碳氮微球材料。
二、多级孔碳氮微球材料电化学性能测试
采用三电极体系(铂丝为对电极，Hg/HgO电极为参考电极)，6M KOH溶液为电解液，在CHI 660D型电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。工作电极通过在NMP中混合90wt％的活性材料(多级孔碳氮微球材料)和10wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)制得。将5mg上述材料涂覆到1cm×1cm的镍泡沫集流体上，80℃干燥6h。循环伏安测试电势窗口从-0.9V到0V，扫描速率从1mV/s到50mV/s。恒流充放电测试电流密度从1A/g到5A/g。比电容根据GCD曲线进行计算。
三、多级孔碳氮微球材料的性能测试
本发明实施例所得多级孔碳氮微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，比表面积为932m2/g，总孔容为0.57cm3/g，氮含量为5.2％。通过电化学测试表明，多级孔碳氮微球材料具有优异的电化学性能。所得CV曲线具有近似矩形的形状，表明其具有理想的双电层电容；GCD曲线具有几乎对称的三角形形状，表明多级孔碳氮微球材料具有良好的充放电性能。根据GCD曲线计算出的超电容性能如下：1A/g电流密度下的比电容为287.5F/g；2A/g电流密度下的比电容为267.4F/g；3A/g电流密度下的比电容为218.3F/g；5A/g电流密度下的比电容为225.2F/g。在1A/g电流密度下循环2000次后的比电容保持率为96.5％，如图7所示。由此可见，本实施例所得多级孔碳氮微球材料用作超级电容器电极材料时，表现出较高的比电容和优异的循环稳定性能。
实施例5：
一、制备多级孔碳氮微球材料，按照如下步骤操作：
(1)PAA溶液的制备
PAA是通过均苯四羧酸二酐(PMDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)在极性溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中缩聚得到的。首先分别用乙醇和乙酸酐对ODA和PMDA进行重结晶处理，密封保存；采用减压蒸馏法去除DMF中的水，重蒸后的DMF放于干燥器中保存；而后在室温和氮气气氛环境下，将摩尔比为1:1的ODA和PMDA加入到溶剂DMF中，搅拌10hr，进行缩聚反应，配制成质量百分含量15wt％的PAA溶液。
(2)多级孔碳氮微球材料的制备
A、采用5ml浓度为15wt％的PAA溶液浸渍体积为10cm3的商品化PU泡沫，真空下于60℃干燥15h。
B、将浸渍后的PU泡沫在氮气气氛下加热，热处理工艺为：110℃加热2h,210℃加热2h,310℃加热2h，使得PAA在PU泡沫支架上转换成PI微球。
C、步骤B热处理结束后在氮气气氛下，800℃焙烧2h，而后冷却到室温，通过该步骤碳化过程去除PU泡沫支架，同时PI的有机组分发生高温裂解，并伴随着低分子量气体分子的产生以及多孔结构的形成，从而得到多级孔碳氮微球材料。
二、多级孔碳氮微球材料电化学性能的测试
采用三电极体系(铂丝为对电极，Hg/HgO电极为参考电极)，6M KOH溶液为电解液，在CHI 660D型电化学工作站上进行循环伏安和恒流充放电测试。工作电极通过在NMP中混合90wt％的活性材料(多级孔碳氮微球材料)和10wt％的聚偏氟乙烯(PVDF)制得。将5mg上述材料涂覆到1cm×1cm的镍泡沫集流体上，60℃干燥8h。循环伏安测试电势窗口从-0.9V到0V，扫描速率从1mV/s到50mV/s。恒流充放电测试电流密度从1A/g到5A/g。比电容根据GCD曲线进行计算。
三、多级孔碳氮微球材料的性能测试
本发明实施例所得多级孔碳氮微球材料具有微孔-介孔-大孔的多级孔结构，比表面积为910m2/g，总孔容为0.54cm3/g，氮含量为5.0％。通过电化学测试表明，多级孔碳氮微球材料具有优异的电化学性能。所得CV曲线具有近似矩形的形状，表明其具有理想的双电层电容；GCD曲线具有几乎对称的三角形形状，表明多级孔碳氮微球材料具有良好的充放电性能。根据GCD曲线计算出的超电容性能如下：1A/g电流密度下的比电容为285.3F/g；2A/g电流密度下的比电容为265.1F/g；3A/g电流密度下的比电容为216.0F/g；5A/g电流密度下的比电容为221.4F/g。在1A/g电流密度下循环2000次后的比电容保持率为96.1％，如图8所示。由此可见，本实施例所得多级孔碳氮微球材料用作超级电容器电极材料时，表现出较高的比电容和优异的循环稳定性能。
Claims (3)
1.一种多级孔碳氮微球材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、用聚酰胺酸溶液浸渍聚氨酯泡沫，每10～15cm3的聚氨酯泡沫用5～15wt％聚酰胺酸溶液5～15ml，真空下50～90℃干燥6～20h；所述聚酰胺酸溶液的制备方法为：用均苯四羧酸二酐与4,4'-二氨基二苯醚在极性溶剂中缩聚得到，所述极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮或者N,N-二甲基乙酰胺或者N,N-二甲基甲酰胺；
B、将浸渍干燥后的聚氨酯泡沫在惰性气体气氛下加热，热处理工艺为：80～120℃加热0.5～3h，升温至170～230℃加热0.5～3h，再升温至270～330℃加热0.5～3h；
C、步骤B热处理结束后的聚氨酯泡沫在惰性气体气氛下，500～800℃焙烧1～6h，冷却到室温，得到多级孔碳氮微球材料。
2.根据权利要求1所述的多级孔碳氮微球材料的制备方法，其特征在于：步骤B中热处理工艺为：90～100℃加热1～2h，升温至180～200℃加热1～2h，再升温至280～300℃加热1～2h。
3.根据权利要求1所述的多级孔碳氮微球材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气。
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