CN112420402A - 一种氮掺杂生物炭及制备方法和应用以及电极和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮掺杂生物炭及制备方法和应用以及电极和制备方法，包括以下步骤：1)富氮水相制备：将藻类生物质、反应添加剂与去离子水放入反应釜中进行水热反应，获得富氮水相；2)氮掺杂生物焦的制备：将富氮水相与陆生生物质放入反应釜中进行水热反应，得到氮掺杂生物焦；3)氮掺杂生物焦的活化：将氮掺杂生物焦与活化剂充分混合，并在惰性气体的保护下进行活化，待活化反应结束后即得到氮掺杂生物炭；4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)中得到的氮掺杂生物炭洗涤至中性，干燥后得到能够用于超级电容的氮掺杂生物炭。本发明得到的超级电容器用电极材料，具有较高的能量密度，优良的倍率性能和循环稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电容技术领域，尤其涉及一种氮掺杂生物炭及制备方法和应用以及电极和制备方法。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭，以及环境问题的日趋严重，可再生能源的开发与利用逐渐得到了重视，其中能源的储存成为亟需解决的问题。超级电容作为一种新型的储能器件得到了广大科研人员的关注。超级电容器是在电极与电解液界面之间通过吸附离子或快速的氧化还原反应来储存能量。相比电池，超级电容器具有很高的功率密度，长循环稳定性，以及快速充放电等特点，而它的能量密度较低。根据超级电容器的储能模型和构造,可分为双电层电容器、赝电容电容器、双电层电容和赝电容的混合体系三种。目前，超级电容器的电极材料主要为过渡金属氧化物、导电聚合物以及各种形式的碳材料。其中，碳由于具有多种形式、导电性、催化活性和多孔特性是一种理想的电极材料，同时碳材料具有电化学稳定、循环寿命长、结构多样、价格适中，而收到了广泛的研究。
通常情况下，碳材料主要由煤炭制成，不仅会消耗大量的煤炭资源也会对环境造成一定的破坏。因此，以农林废弃物为代表的陆生生物质是一种理想的制备碳材料的前驱体。通过陆生生物质制成的生物炭是一种比表面积大，表面官能团丰富(主要包括芳香基，C-O-C和C＝O)，具有良好的化学稳定性的多孔碳基材料，被广泛应用于催化、吸附和土壤改良中。相比于传统的活性碳材料，生物炭主要的优势是产量大和成本低。为了进一步提升碳材料的电化学性能，有研究表明对碳材料进行氮掺杂可以有效提升碳材料的电化学性能，这是由于氮原子的引入增加了材料的导电性和与电解液的浸润性。
目前，利用水热液化技术从藻类生物质中提取生物油被广泛研究，而对于水热液化后的水相产物却没有得到充分利用。由于藻类生物质中存在大量的氮元素，有研究表明藻类生物质在水热液化过程中超过一半的氮元素转移到水相中，总氮的浓度约为0.77-31.7g/L。因此利用藻类生物质水热液化后的水相作为氮源，耦合陆生生物质制备氮掺杂生物炭用于超级电容具有较高的经济、环境价值。
申请号为201710009138.1的专利公开了一种以三聚氰胺为氮源与含炭前躯体经机械混合后结合高温处理进行制备的方法，但是，单纯的机械混合无法使外在氮源有效地掺杂进碳材料中，从而降低了氮掺杂炭材料的理化性能；申请号为201711083142.9的专利公开了一种以二维氧化石墨烯为模板、生物质糖类为炭源、氨基酸为氮源制备氮掺杂多孔碳材料的方法，但是以通过精加工得到生物制糖与氨基酸为原料极大的增加了碳材料的制备成本，同时二维氧化石墨烯的生产工艺较为复杂且生产过程对环境有一定的污染；申请号为202010177811.4的专利公开了一种通过将生活污泥和助反应物质反应得到的滤液与无灰分生物质经两次水热反应得固体含氮炭产物活化后含氮炭材料的方法，但生活污泥中存在大量的重金属，附着在含氮碳材料中的重金属对碳材料的理化性能有一定的影响，并且由于不同环境产生的污泥性质差异较大不能有效地控制所得含氮碳材料的品质。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种氮掺杂生物炭及制备方法和应用以及电极和制备方法，充分利用生物质资源，能够在超级电容器用氮掺杂生物炭的制备领域，以及超级电容器用含氮炭电极材料的制备和应用领域具有很高的实用价值。
本发明的技术方案是：一种氮掺杂生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1)富氮水相制备：将藻类生物质、反应添加剂与去离子水放入反应釜中进行水热反应，反应结束后去除产物中的固体颗粒与生物油，获得富氮水相；
2)氮掺杂生物焦的制备：将富氮水相与陆生生物质放入反应釜中进行水热反应，待反应结束后将反应釜中的固态产物取出并洗去表面的有机物，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：将氮掺杂生物焦与活化剂充分混合，并在惰性气体的保护下进行活化，待活化反应结束后即得到氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)中得到的氮掺杂生物炭洗涤至中性，干燥后得到能够用于超级电容的氮掺杂生物炭。
上述方案中，所述步骤1)中，反应过程中藻类生物质使用干燥的藻粉，包括大型海藻或微藻；所述反应添加剂包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、三聚氰胺、硫酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸中的一种或几种的组合。
上述方案中，所述藻类生物质在水热过程中藻粉质量与去离子水的比例为2g/40ml-6g/40ml；
当反应添加剂为固体时，添加剂的质量与藻类生物质的质量比例为0-10％；
当反应添加剂为液体时，添加剂的体积与藻类生物质的比例为0-2ml/1g；
上述方案中，水热反应温度为195-285℃，升温速率为3.5-8.2℃/min，反应时间为0.5-2.5h。
上述方案中，所述步骤2)中，陆生生物质为干燥的粉末状，陆生生物质包括竹子、稻壳、秸秆、木屑、树叶中的一种或几种的组合；
陆生生物质的添加量与富氮水相的比例为1g/40ml-6g/40ml；反应温度为175-280℃，反应时间为1.5h-3.5h。
上述方案中，所述步骤3)中，氮掺杂生物焦与活化剂的质量比为1:(1.5-8)，活化温度为600-900℃；升温速率为3.5-8.5℃/min，达到预设温度后保持0.5-2.5h；
所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠中的一种或几种的组合。
一种根据所述氮掺杂生物炭的制备方法得到的氮掺杂生物炭。
一种根据所述氮掺杂生物炭在制备超级电容器电极材料中的应用。
一种利用所述的氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法，包括以下步骤：
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按(7-9)：(1-1.5)：(1-1.5)的比例混匀，利用1-甲基-2-吡咯烷酮混合均匀，制得浆料，将浆料均匀涂在泡沫镍上，经挤压制成超级电容器电极材料。
一种利用所述氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法制备得到的电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明超级电容的氮掺杂生物炭的制备方法，以自然界中广泛存在的藻类生物质作为氮源，不仅能够提供良好的富氮反应环境，也能够充分利用丰富的藻类资源，并预防由藻类生物质富集引起的赤潮、水华等环境问题。在藻类生物质的水热过程中可以适当添加一些反应添加剂，用于强化氮元素从藻类生物质中分离至水相，从而更好地提供氮源。通过富氮水相作为溶剂，与陆生生物质进行耦合水热反应，既提供了高压高温下自由基反应条件，又将氮元素有效掺杂至生物焦中，从而增强生物焦的电化学性能，进一步提升氮掺杂生物炭的导电性能；另一方面，在对藻类生物质进行水热时，藻类生物质中的部分多糖与脂质会率先发生水解反应，生成大量水溶性小分子有机物并进入富氮水相当中，在接下来与陆生生物质的反应中，这些水解多糖与脂质会与陆生生物质中的纤维素、半纤维素以及木质素水热过程中产生的低聚物发生协同作用，促进氮掺杂生物炭的形成并改善炭的结构，增强氮掺杂生物炭的电化学性能；通过活化反应显著提高并扩大氮掺杂生物炭的孔隙结构，扩大比表面积，提高电解液的缓冲储存以及离子的快速传输；通过将体系pH值调至中性，能够有效去除活化过程中残留试剂。本发明公开的制备方法操作简单，所用原料便宜易得，在实现变废为宝、降低成本目的的同时，提供了一套简单的制备工艺，是一种经济、高效的超级电容器用含氮炭材料的制备方法。采用上述氮掺杂生物炭制作超级电容器电极材料的方法，通过将适当比例的氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒混合均匀，添加适当的粘合剂，配制所需的超级电容器用含氮炭电极材料。本发明得到的超级电容器用电极材料，具有较高的能量密度，优良的倍率性能和循环稳定性。因此，本发明公开的氮掺杂生物炭能够应用于制备超级电容器电极材料。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种氮掺杂生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1)富氮水相制备：将一定比例的藻类生物质、反应添加剂与去离子水放入反应釜中进行水热反应，反应结束后去除产物中的固体颗粒与生物油，获得富氮水相；
2)氮掺杂生物焦的制备：将富氮水相与陆生生物质放入反应釜中进行水热反应，待反应结束后将反应釜中的固态产物取出并洗去表面的有机物，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：将氮掺杂生物焦与一定比例的活化剂充分混合，并在惰性气体的保护下进行活化，待活化反应结束后即得到氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)中得到的氮掺杂生物炭洗涤至中性，干燥后得到能够用于超级电容的氮掺杂生物炭。
所述步骤1)中，反应过程中藻类生物质使用干燥的藻粉，包括大型海藻或微藻；所述反应添加剂包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、三聚氰胺、硫酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸中的一种或几种的组合。
所述藻类生物质在水热过程中藻粉质量与去离子水的比例为2g/40ml-6g/40ml；
当反应添加剂为固体时，添加剂的质量与藻类生物质的质量比例为0-10％；
当反应添加剂为液体时，添加剂的体积与藻类生物质的比例为0-2ml/1g；
水热反应温度为195-285℃，升温速率为3.5-8.2℃/min，反应时间为0.5-2.5h。
所述步骤2)中，陆生生物质为干燥的粉末状，陆生生物质包括竹子、稻壳、(水稻、小麦、玉米、高粱)秸秆、木屑、树叶中的一种或几种的组合；
陆生生物质的添加量与富氮水相的比例为1g/40ml-6g/40ml；反应温度为175-280℃，反应时间为1.5h-3.5h。
所述步骤3)中，氮掺杂生物焦与活化剂的质量比为1:(1.5-8)，活化温度为600-900℃；升温速率为3.5-8.5℃/min，达到预设温度后保持0.5-2.5h；
所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠中的一种或几种的组合。
所述充分混合的方式包括研磨或加入适量水煮至糊状；
所述步骤4)中，洗涤至中性的步骤为：调节PH至中性；超声震荡0.5-2h；抽滤并在抽滤过程中继续加入500-2000ml去离子水充分洗涤。
一种根据所述氮掺杂生物炭的制备方法得到的氮掺杂生物炭。
一种根据所述氮掺杂生物炭在制备超级电容器电极材料中的应用。
一种利用所述的氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法，包括以下步骤：
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按(7-9)：(1-1.5)：(1-1.5)的比例混匀，利用1-甲基-2-吡咯烷酮混合均匀，制得浆料，将浆料均匀涂在泡沫镍上，经挤压制成超级电容器电极材料。挤压是用压片机在3-10MPa压力下保持30-600s，制成超级电容器电极材料。
一种利用所述氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法制备得到的电极。
实施例1
1.1氮掺杂生物炭的制备
1)富氮水相的制备：将2g条浒苔加入40mL去离子水中，不添加反应添加剂，在水热反应釜中反应，反应温度195℃，升温速率为3.5℃/min，反应时间0.5h，固液分离获得滤液，即富氮水相；
2)含氮炭产物的制备：在水热反应釜中，加入40ml滤液，同时加1g竹子粉末，在175℃下进行水热反应，反应时间为1.5h；反应结束后将水热反应产物抽滤，去二氯甲烷洗涤、抽滤，乙醇洗涤、抽滤，去离子水洗涤、抽滤；将处理后的产物在105℃下真空干燥8h，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：氮掺杂生物焦与氯化锌粉末按照质量比1:1.5进行研磨使其混合均匀，置于管式炉中，在氩气气氛保护下，以3.5℃/min的升温速度升温至600℃，保温0.5h，冷却至室温，得含氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)得到的氮掺杂生物炭放入去离子水中，滴加1mol/L的盐酸溶液，调节混合液的pH至中性，超声0.5h，之后抽滤，再用500ml去离子水洗，抽滤，所的固体渣在105℃下干燥24h，即得超级电容器用含氮炭材料。
1.2超级电容器电极材料的制备
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按7:1:1的比例混合均匀并加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，得到超级电容器电极材料成的糊状物，将其均匀涂在泡沫镍上，用压片机挤压制成超级电容器电极材料，以保证活性物质可以与泡沫镍良好的接触。
用压片机在3MPa压力下挤压30s，制成直径为12mm的电极。
实施例2
2.1氮掺杂生物炭的制备
1)富氮水相的制备：将4g马尾藻加入40mL去离子水中，加入5％的碳酸氢钠作为反应添加剂，在水热反应釜中反应，反应温度225℃，升温速率5℃/min，反应时间2.3h，固液分离获得滤液，即富氮水相；
2)含氮炭产物的制备：在水热反应釜中，加入40ml滤液，同时加3.5g稻壳粉末，在215℃下进行水热反应，反应时间为2.4h；反应结束后将水热反应产物抽滤，去二氯甲烷洗涤、抽滤，乙醇洗涤、抽滤，去离子水洗涤、抽滤；将处理后的产物在105℃下真空干燥8h，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：氮掺杂生物焦与氢氧化钾粉末按照质量比1:3.5进行研磨使其混合均匀，置于管式炉中，在氮气气氛保护下，以5℃/min的升温速度升温至720℃，保温1.2h，冷却至室温，得含氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)得到的氮掺杂生物炭放入去离子水中，滴加0.1mol/L的盐酸溶液，调节混合液的pH至中性，超声1h，之后抽滤，再用1000ml去离子水洗，离心，所的固体渣在105℃下干燥24h，即得超级电容器用含氮炭材料。
2.2超级电容器电极材料的制备
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按8:1.2:1.2的比例混合均匀并加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，得到超级电容器电极材料成的糊状物，将其均匀涂在泡沫镍上，用压片机挤压制成超级电容器电极材料，以保证活性物质可以与泡沫镍良好的接触。
用压片机在8MPa压力下挤压300s，制成直径为12mm的电极。
实施例3
3.1氮掺杂生物炭的制备
1)富氮水相的制备：将6g小球藻加入40mL去离子水中，加入10％的三聚氰胺作为反应添加剂，在水热反应釜中反应，反应温度285℃，反应时间2.5h，升温速率为8.2℃/min固液分离获得滤液，即富氮水相；
2)含氮炭产物的制备：在水热反应釜中，加入40ml滤液，同时加6g木屑粉末，在280℃下进行水热反应，反应时间为3.5h；反应结束后将水热反应产物抽滤，去二氯甲烷洗涤、抽滤，乙醇洗涤、抽滤，去离子水洗涤、抽滤；将处理后的产物在105℃下真空干燥8h，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：氮掺杂生物焦与氢氧化钠和碳酸钾的混合物按照质量比1:8进行研磨使其混合均匀，置于管式炉中，在氩气气氛保护下，以8.5℃/min的升温速度升温至900℃，保温2.5h，冷却至室温，得含氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)得到的氮掺杂生物炭放入去离子水中，滴加1mol/L的氢氧化钾溶液，调节混合液的pH至中性，超声2h，之后抽滤，再用2000ml去离子水洗，抽滤，所的固体渣在105℃下干燥24h，即得超级电容器用含氮炭材料。
3.2超级电容器电极材料的制备
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按9:1.5:1.5的比例混合均匀并加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，得到超级电容器电极材料成的糊状物，将其均匀涂在泡沫镍上，用压片机挤压制成超级电容器电极材料，以保证活性物质可以与泡沫镍良好的接触。
用压片机在10MPa压力下挤压600s，制成直径为12mm的电极。
本实施例得到的超级电容器用电极材料，在3mol/L的KOH电解液中，1A/g电流密度下比电容值为206.78F/g；在电流密度为0.1A/g下、功率密度500W/kg时，能量密度为37.83Wh/kg，呈现出优良的倍率性能和循环稳定性。
实施例4
4.1氮掺杂生物炭的制备
1)富氮水相的制备：将4g羊栖菜加入40mL去离子水中，加入4ml37％的盐酸作为反应添加剂，在水热反应釜中反应，反应温度265℃，反应时间2h，升温速率为8℃/min固液分离获得滤液，即富氮水相；
2)含氮炭产物的制备：在水热反应釜中，加入40ml滤液，同时加5g秸秆与树叶的混合物，在260℃下进行水热反应，反应时间为3h；反应结束后将水热反应产物抽滤，去二氯甲烷洗涤、抽滤，乙醇洗涤、抽滤，去离子水洗涤、抽滤；将处理后的产物在105℃下真空干燥8h，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：氮掺杂生物焦与氯化锌按照质量比1:7放入烧杯中并加入适量去离子水，在搅拌下加热至粘稠糊状，将糊状物置于管式炉中，在氩气气氛保护下，以6.5℃/min的升温速度升温至800℃，保温1h，冷却至室温，得含氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)得到的氮掺杂生物炭放入去离子水中，滴加1mol/L的氢氧化钾溶液，调节混合液的pH至中性，超声2h，之后抽滤，再用1000ml去离子水洗，抽滤，所的固体渣在105℃下干燥24h，即得超级电容器用含氮炭材料。
4.2超级电容器电极材料的制备
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按9:1.2:1.5的比例混合均匀并加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，得到超级电容器电极材料成的糊状物，将其均匀涂在泡沫镍上，用压片机挤压制成超级电容器电极材料，以保证活性物质可以与泡沫镍良好的接触。
用压片机在8MPa压力下挤压400s，制成直径为12mm的电极。
实施例5
5.1氮掺杂生物炭的制备
1)富氮水相的制备：将6g斜生栅藻加入40mL去离子水中，加入6ml 85％的磷酸和6ml37％的盐酸作为反应添加剂，在水热反应釜中反应，反应温度285℃，反应时间2.5h，升温速率为8.2℃/min固液分离获得滤液，即富氮水相；
2)含氮炭产物的制备：在水热反应釜中，加入40ml滤液，同时加4g木屑粉末，在260℃下进行水热反应，反应时间为2.5h；反应结束后将水热反应产物抽滤，去二氯甲烷洗涤、抽滤，乙醇洗涤、抽滤，去离子水洗涤、抽滤；将处理后的产物在105℃下真空干燥8h，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：氮掺杂生物焦与氢氧化钠和碳酸钾的混合物按照质量比1:8进行研磨使其混合均匀，置于管式炉中，在氩气气氛保护下，以6.5℃/min的升温速度升温至850℃，保温1.5h，冷却至室温，得含氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)得到的氮掺杂生物炭放入去离子水中，滴加1mol/L的盐酸溶液，调节混合液的pH至中性，超声1.5h，之后抽滤，再用800ml去离子水洗，抽滤，所的固体渣在105℃下干燥24h，即得超级电容器用含氮炭材料。
5.2超级电容器电极材料的制备
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按8.6:1.3:1.1的比例混合均匀并加入适量1-甲基-2-吡咯烷酮，得到超级电容器电极材料成的糊状物，将其均匀涂在泡沫镍上，用压片机挤压制成超级电容器电极材料，以保证活性物质可以与泡沫镍良好的接触。
用压片机在7MPa压力下挤压90s，制成直径为12mm的电极。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)富氮水相制备：将藻类生物质、反应添加剂与去离子水放入反应釜中进行水热反应，反应结束后去除产物中的固体颗粒与生物油，获得富氮水相；
2)氮掺杂生物焦的制备：将富氮水相与陆生生物质放入反应釜中进行水热反应，待反应结束后将反应釜中的固态产物取出并洗去表面的有机物，得到氮掺杂生物焦；
3)氮掺杂生物焦的活化：将氮掺杂生物焦与活化剂充分混合，并在惰性气体的保护下进行活化，待活化反应结束后即得到氮掺杂生物炭；
4)氮掺杂生物炭的处理：将步骤3)中得到的氮掺杂生物炭洗涤至中性，干燥后得到能够用于超级电容的氮掺杂生物炭。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，反应过程中藻类生物质使用干燥的藻粉，包括大型海藻或微藻；所述反应添加剂包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钾、尿素、三聚氰胺、硫酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，所述藻类生物质在水热过程中藻粉质量与去离子水的比例为2g/40ml-6g/40ml；
当反应添加剂为固体时，添加剂的质量与藻类生物质的质量比例为0-10％；
当反应添加剂为液体时，添加剂的体积与藻类生物质的比例为0-2ml/1g。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，水热反应温度为195-285℃，升温速率为3.5-8.2℃/min，反应时间为0.5-2.5h。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，陆生生物质为干燥的粉末状，陆生生物质包括竹子、稻壳、秸秆、木屑、树叶中的一种或几种的组合；
陆生生物质的添加量与富氮水相的比例为1g/40ml-6g/40ml；反应温度为175-280℃，反应时间为1.5h-3.5h。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，氮掺杂生物焦与活化剂的质量比为1:(1.5-8)，活化温度为600-900℃；升温速率为3.5-8.5℃/min，达到预设温度后保持0.5-2.5h；
所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠中的一种或几种的组合。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述氮掺杂生物炭的制备方法得到的氮掺杂生物炭。
8.一种根据权利要求7所述氮掺杂生物炭在制备超级电容器电极材料中的应用。
9.一种利用权利要求7所述的氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以质量份数计，将氮掺杂生物炭、导电乙炔黑和聚四氟乙烯微粒按(7-9)：(1-1.5)：(1-1.5)的比例混匀，利用1-甲基-2-吡咯烷酮混合均匀，制得浆料，将浆料均匀涂在泡沫镍上，经挤压制成超级电容器电极材料。
10.一种利用权利要求9所述氮掺杂生物炭制备超级电容器电极材料的方法制备得到的电极。
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