CN113223862A - 一种活化海绵电容材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电极材料制备技术领域，具体涉及一种活化海绵电容材料的应用及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：1)三聚氰胺海绵碳化；2)制备多巴胺氧化石墨烯水溶液；3)将三聚氰胺海绵和多巴胺氧化石墨烯水溶液浸泡，去除海绵表面杂质；4)加热碳化，得到一步法海绵；5)在一步法海绵中加入氢氧化钾，碳化。该方法解决石墨烯的堆积和团聚问题，将三聚氰胺海绵煅烧得到的富氮三维多孔碳海绵作为氧化石墨烯的载体骨架，提升活化海绵电容材料的比表面积和电化学性能。将本发明的活化海绵电容材料作为电极材料制备得到的超级电容器具有良好的双层电容行为和循环可逆性能。

Description

一种活化海绵电容材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电极材料制备技术领域，具体涉及一种活化海绵电容材料的应 用及其制备方法和应用。
背景技术
电能存储技术通常分为两类，物理能存储技术和化学能存储。化学储能技 术可以进一步分为电池技术和超级电容器技术。超级电容器具有两个导电表面， 并且能量存储在这些表面上，这些导电表面充当超级电容器的电极。
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件，架起了电 池和传统电容器之间的桥梁。超级电容器的高功率密度弥补了电池功率不足的 劣势，并且兼具传统电容器的超长循环寿命的特点。超级电容器作为储能设备 因其功率密度相对较高，充放电速快和突出的循环稳定性而备受新能源行业的 关注。不同种类的电极材料都有公司研究关注。现今，超级电容器的出现已经 超过50年，在便携多媒体设备，可再生能源，航空航天系统，运输系统和大 规模工业设备中展示出很大的应用潜力并慢慢开始改变人类的生活，已经成为 世界各国新型能源储存领域的研究热点之一。
碳材料很早就被广泛用于商业超级电容器。作为一种常用于超级电容器电 极的材料，活性炭在比表面积，电导率，和化学稳定性方面均有良好的性能。 由单层sp2碳原子组成的石墨烯比常规碳材料具有更大的电导率。文献研究表 明，单层石墨烯的比电容为20μF/cm2，理论比电容为550F/g，具有极高的比 表面积(2630m2/g)，石墨烯电极的层状结构也为电解质离子的迁移和扩散提 供了丰富的可及通道。在理想状态下，单层石墨烯还具有非常高的断裂强度。 石墨烯是一种有前途的超级电容器电极材料。近数十年，已经有不少石墨烯超 级电容器电极的研究。在制备石墨烯电极材料时，一般先采用化学氧化法获得 氧化石墨烯(氧化石墨烯)，然后通过还原处理氧化石墨烯产生还原的氧化石 墨烯(还原氧化石墨烯)。还原处理去除氧化石墨烯含氧官能团的过程降低了 氧化石墨烯/还原氧化石墨烯片之间的库仑排斥力。因为氧化石墨烯和还原氧化 石墨烯由单层的sp2杂化键组成，氧化石墨烯/氧化石墨烯片还可以通过π-π相 互作用重新堆积在一起。这些因素会导致还原氧化石墨烯片的重新堆积和团聚 现象，严重降低还原氧化石墨烯片的可触及表面积，导电率和比电容。因此， 如何最大程度地减少氧化石墨烯片和还原氧化石墨烯片的堆积和团聚对于制造 高性能石墨烯超级电容器至关重要。
针对上述问题，一种解决方案是使用三维石墨烯，通过一步水热法合成制 备了三维多孔石墨烯。结果表明，材料的三维孔结构可以防止石墨烯的重新堆 积，并将比电容提高到165F/g。但是，由于没有骨架支撑，三维石墨烯材料的 机械强度通常很差。研究人员近年来测试了利用多孔海绵作为石墨烯的骨架， 并制备了可压缩的石墨烯海绵复合超级电容器材料。在合成过程中，氧化石墨 烯片通常通过简单的浸涂法分散在碳海绵的三维多孔结构中，然后进行常规的 化学还原或煅烧还原氧化石墨烯。通过这种方法制备的三维复合电极材料石墨 烯负载量通常不高，体积比电容低，仍然难以避免石墨烯的重新堆积现象。
所以超级电容器现在的发展任然受困于能量密度不高的问题，且倍率性能 依然低于电池。因此，发展高能量密度和高倍率性能的超级电容器对改善人类 生活和推动能源领域的发展具有重要意义。例如碳材料、金属氧化物和导电聚 合物等都拥有优越的氧化还原活性、储量大、成本低等特性。然而都存在倍率 性能差，比电容低、充放电性能差等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种活化海绵电容 材料的制备方法，该方法步骤简单，操作成本低，易于实现，能有效解决石墨 烯的重新堆积的技术问题；本发明的目的之二在于提供一种活化海绵电容材料， 使用的材料廉价易得，生产成本低廉；本发明的目的之三在于提供一种活化海 绵电容材料的应用，活化海绵电容材料作为超级电容器的电极材料比电容高， 充放电性能好。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种活化海绵电容材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺海绵清洗烘干后，在惰性气体下加热碳化并保温，冷却后再 清洗并进行干燥，得到预处理海绵；其中，三聚氰胺海绵在清洗前可根据实际 需要裁剪尺寸；所述三聚氰胺海绵具有三维多孔结构；
2)将氧化石墨烯分散在水中，混合均匀，再添加多巴胺，得到多巴胺氧化 石墨烯水溶液；
3)将步骤1)所得的预处理海绵浸泡在步骤2)所得的多巴胺氧化石墨烯 水溶液中，挤压排出预处理海绵内部的空气，加热，在预处理海绵上形成多巴 胺氧化石墨烯水凝胶，静置，然后去除预处理海绵表面的多巴胺氧化石墨烯水 凝胶，再进行干燥，得到复合海绵；
4)将步骤3)所得的复合海绵在惰性气体下加热碳化并保温，冷却，得到 一步法海绵；
5)将步骤4)所得的一步法海绵浸泡在氢氧化钾水溶液中，干燥，得到氢 氧化钾-一步法海绵；
6)将步骤5)所得的氢氧化钾-一步法海绵在惰性气体下加热碳化并保温， 冷却后，清洗并干燥，得到活化海绵电容材料。
进一步，步骤1)中，所述三聚氰胺海绵的制备原料包括混合比为1～3：1～2： 1～2的甲醛、三聚氰胺和亚硫酸氢钠共聚物的组合物。优选混合比为：3：2：2。
再进一步，步骤1)、4)和6)中，加热温度为600～900℃，升温速率为 2～10℃/min，保温时间为1～3小时。
进一步，步骤1)、3)、5)和6)中，所述干燥的温度为50～60℃。
再进一步，步骤2)中，将所述氧化石墨烯分散在所述水中，混合均匀，优 选加入氨水来调节溶液pH为6～8，再添加所述多巴胺。优选水为去离子水，多 巴胺可分散在盐酸中，提高多巴胺的稳定性，且盐酸不参加反应。
进一步，步骤2)中，所述氧化石墨烯多巴胺水溶液中多巴胺的浓度为 0.1～10g/L。
再进一步，步骤3)中，所述静置的温度为50～80℃，所述静置的时间为2～12 小时。
进一步，步骤5)中，所述一步法海绵和所述氢氧化钾水溶液中的氢氧化钾 的质量比为1：2～4。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种活化海绵电容材料，由上述的活化海绵电容材料的制备方法制得。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种活化海绵电容材料的应用，由上述的活化海绵电容材料的制备方法制 得的活化海绵电容材料用于制备超级电容器的电极材料。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明为了解决石墨烯的堆积和团聚问题，开发了一种活化海绵电容 材料的制备方法，将三聚氰胺海绵煅烧得到的预处理海绵作为氧化石墨烯的载 体骨架，该预处理海绵为富氮三维多孔碳海绵，其具有高电导率，出色的机械 强度和良好的可压缩弹性的特性。此外，该预处理海绵掺杂氮元素能改善碳骨 架的亲水性，从而促进电解质的迁移和扩散；
经过加热后，多巴胺与氧化石墨烯形成稳定的水凝胶，使氧化石墨烯分散 并固定在富氮三维多孔的预处理海绵的孔结构中；多巴胺还可以通过静电力使 氧化石墨烯交联并在氧化石墨烯和预处理海绵之间形成共价键，从而使氧化石 墨烯之间彼此间隔并限制氧化石墨烯的重新堆积和团聚；最后将一步法海绵与 氢氧化钾混合，并高温煅烧活化材料以增加介孔/微孔，提升活化海绵电容材料 的比表面积和电化学性能。
(2)本发明的活化海绵电容材料的主要原料有三聚氰胺海绵、氧化石墨烯、 多巴胺和氢氧化钾，原料价廉易得，能有效降低成本。该活化海绵电容材料具 有良好的传荷阻抗、较大的比表面积和比电容。
(3)将本发明的活化海绵电容材料作为电极材料制备得到的超级电容器具 有良好的双层电容行为和循环可逆性能，内阻小，充放电时间长，电容大；而 随着充放电电流密度的增加，充放电时间变得越来越短，电容器的倍率性能越 好。
附图说明
图1为三聚氰胺海绵合成富氮多孔碳海绵的原理图；
图2为多巴胺防止氧化石墨烯堆积和团聚的原理图；
图3为实施例1的预处理海绵的循环伏安曲线图；
图4为实施例1的一步法海绵的循环伏安曲线图
图5为实施例1的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图6为实施例2的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图7为实施例3的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图8为实施例4的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图9为实施例5的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图10为实施例6的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图11为实施例7的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图12为实施例8的活化海绵电容材料的循环伏安曲线图；
图13为实施例1、实施例7和实施例8的活化海绵电容材料的交流阻抗图 谱；
图14为实施例2和实施例3的活化海绵电容材料的交流阻抗图谱；
图15为实施例4和实施例5的活化海绵电容材料的交流阻抗图谱；
图16为实施例6的活化海绵电容材料的交流阻抗图谱；
图17为实施例1的预处理海绵的恒流充放电曲线图；
图18为实施例1的一步法海绵的恒流充放电曲线图；
图19为实施例1的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图20为实施例2的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图21为实施例3的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图22为实施例4的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图23为实施例5的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图24为实施例6的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图25为实施例7的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图26为实施例8的活化海绵电容材料的恒流充放电曲线图；
图27为实施例1～6的活化海绵电容材料在不同扫描速度下的比电容对比 图；
图28为实施例1的预处理海绵的SEM图；
图29为实施例1的一步法海绵的SEM图
图30为实施例1的活化海绵电容材料的SEM图；
图31为实施例1的预处理海绵的在0～1400eV的结合能区间内的XPS光谱；
图32为实施例1的预处理海绵的在280～300eV的结合能区间内的XPS光；
图33为实施例1的预处理海绵的在394～412eV的结合能区间内的XPS光 谱；
图34为实施例1的预处理海绵的在526～546eV的结合能区间内的XPS光 谱；
图35为实施例1的一步法海绵的在0～1400eV的结合能区间内的XPS光谱；
图36为实施例1的一步法海绵的在280～300eV的结合能区间内的XPS光；
图37为实施例1的一步法海绵的在394～412eV的结合能区间内的XPS光 谱；
图38为实施例1的一步法海绵的在526～546eV的结合能区间内的XPS光 谱；
图39为实施例1的活化海绵电容材料的在0～1400eV的结合能区间内的XPS 光谱；
图40为实施例1的活化海绵电容材料的在280～300eV的结合能区间内的 XPS光；
图41为实施例1的活化海绵电容材料的在394～412eV的结合能区间内的 XPS光谱；
图42为实施例1的活化海绵电容材料的在526～546eV的结合能区间内的 XPS光谱。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的 是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任 意组合形成新的实施例。
本发明的活化海绵电容材料解决石墨烯的堆积和团聚问题的具体原理如 下：三聚氰胺海绵由甲醛-三聚氰胺-亚硫酸氢钠共聚物组成，具有丰富的三维孔 结构。如图1所示，将三聚氰胺海绵煅烧得到的预处理海绵作为氧化石墨烯(GO) 的载体骨架，该预处理海绵为富氮三维多孔碳海绵。该海绵具有高电导率，出 色的机械强度和良好的可压缩弹性的特性。此外，预处理海绵由于掺杂了氮元 素可以改善碳骨架的亲水性，从而促进电解质的迁移和扩散。所以说富氮三维 多孔碳海绵是氧化石墨烯的理想载体骨架。
使用多巴胺和盐酸混合的盐酸多巴胺，盐酸能增加多巴胺的溶解性和稳定 性，盐酸不参与实际反应。多巴胺(DA)是一种仿生粘合剂，可将氧化石墨烯 片分散并固定在富氮三维多孔碳海绵的孔结构中。将多巴胺和氧化石墨烯片溶 解于水，将三维多孔海绵浸入该溶液，在稳定条件下加热至约60℃时，多巴胺 和氧化石墨烯可形成稳定的黑色水凝胶，使氧化石墨烯片锚固并分散到三维孔 结构中。多巴胺分子还可以通过静电力使氧化石墨烯片交联并在这氧化石墨烯 片和预处理海绵之间形成共价键。
如图2所示，这可以使氧化石墨烯片彼此间隔开并限制氧化石墨烯片的重 新堆积和团聚。水凝胶中的多巴胺化学成分类似于贻贝分泌的粘合材料，使氧 化石墨烯片粘附在骨架的表面。多巴胺也可以部分还原氧化石墨烯片。为了进 一步将氧化石墨烯片(GO)还原为还原氧化石墨烯(rGO)，并将多巴胺/聚多 巴胺(PDA)转化为氮掺杂的石墨烯，在600～900℃下对负载GO的海绵进行碳 化，得到一步法海绵，优选800℃。通过这样的加载过程可将高密度的石墨烯/ 类石墨烯材料附着在三维富氮多孔碳海绵的骨架上，并最大程度地减少还原氧 化石墨烯(rGO)的堆积。
最后，加入氢氧化钾并高温煅烧活化材料以增加介孔/微孔，提升材料的比 表面积和电化学性能。
综上，本发明为氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)的重新堆积 问题提供了一种简单的解决方案，并且为制造一种活化海绵电容材料(三维多 孔富氮碳载还原型氧化石墨烯海绵)作为高性能超级电容器电极开发了一种有 前途的工艺。
一、试剂与仪器
1.1试剂
Figure BDA0002933876840000091
Figure BDA0002933876840000101
1.2仪器
设备名称 型号
分析天平 SatorisBSA224S
超声清洗机 科麦SKE-10S
恒温搅拌水浴锅 予华ZNGL-G-C
烘箱 申贤DH9070A
pH计 雷磁PHSJ-4F
管式炉 晶科OTF-1200X
电化学工作站 辰华660E
扫描电子显微镜 日立4700
全自动气体吸附分析仪 Autosorb-IQ
X射线光电子能谱仪 Thermo ESCALAB 250XI
二、具体实施例 2.1实施例1
一种活化海绵电容材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将切割成2cm*4cm*4cm大小的三聚氰胺海绵使用去离子水和无水乙 醇交替清洗3次，放置于60℃烘箱内鼓风干燥至恒重；将三聚氰胺海绵方块装 在瓷舟中，在高纯氮气的保护下以5℃/min的速度加热到800℃，保温2小时后 自然冷却取出，浸泡在去离子水中洗去无机盐，放置于60℃烘箱内鼓风干燥至 恒重，得到预处理海绵。
2)将氧化石墨烯分散在去离子水中，配制浓度为2g/L的氧化石墨烯水溶液， 在使用超声清洗机超声10分钟后加入氨水将氧化石墨烯水溶液的pH调至7。 加入盐酸多巴胺使氧化石墨烯水溶液中盐酸多巴胺的浓度为1g/L，得到盐酸多 巴胺氧化石墨烯水溶液；
3)将预处理海绵浸入盐酸多巴胺氧化石墨烯水溶液中，反复挤压排除预理 海绵内部的空气，将溶液和海绵放入水浴锅中，烧杯口盖上保鲜，将包含溶液 和海绵的烧杯在不搅拌的情况下于60℃恒温6小时以形成盐酸多巴胺氧化石墨 烯水凝胶；6小时后取出海绵，去除预处理海绵表面的盐酸多巴胺氧化石墨烯水 凝胶，放置于60℃烘箱内鼓风干燥至恒重，得到复合海绵；
4)将干燥至恒重的复合海绵放入带盖的刚玉舟内，在高纯氮气的保护下以 5℃/min的速度加热到800℃，保温2小时后自然冷却取出，得到一步法海绵。
5)称量一步法海绵，令其吸入饱和的去离子水，将水挤出到烧杯中，加入 3倍于海绵质量的KOH并使其溶解，再将被挤干水的海绵放入完全吸收KOH 溶液，即KOH与一步法海绵的重量比为3：1，放置于60℃烘箱内鼓风干燥至 恒重，得到氢氧化钾-一步法海绵；
6)将干燥至恒重的海绵放入带盖的刚玉舟内，在高纯氮气的保护下以 5℃/min的速度加热到800℃，保温2小时后自然冷却取出。将海绵先用盐酸溶 液洗涤，再放入将有去离子水的烧杯内，反复挤压将多余的KOH洗去，放置于 60℃烘箱内鼓风干燥至恒重，得到活化海绵电容材料。
将步骤5)所得的氢氧化钾-一步法海绵在惰性气体下加热碳化并保温，冷 却后，清洗并干燥，得到活化海绵电容材料。
2.2实施例2～7的活化海绵电容材料的制备条件
Figure BDA0002933876840000121
三、活化海绵电容材料的电化学性能表征方法
3.1电极的制备和电化学测量装置的组装
电极材料的电化学表征使用三极测量方法，以活化海绵电极作为工作电极， 铂丝为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1mol/L硫酸钠水系电解液中进行 测试。
3.2电化学测试方法
3.2.1循环伏安测试(Cyclic Voltammetry)
循环伏安法是一种常用的电化学表征手段，其原理是在测试电极上施加一 个线性的扫描电压，测量电流随电压的变化关系。从设定的起始电压(V0)开始按 照设定的速率扫描到(Vf)，之后再按照相同的速率反方向扫描至V0，完成一次 循环。循环伏安法可以有效地观测电极表面发生的氧化还原反应。
对实施例1～8进行循环伏安测试，结果如图3～12所示。对于理想的电容器， 循环伏安图形应该是一个矩形。然而，在实际超级电容器中，由于离子的扩散 以及电容器的内阻等因素，超级电容器的循环伏安图形与矩形会有所偏离。此 外，随着扫描速率的增大，这种偏离随之增加。因此，通过比较超级电容器不 同扫速下的循环伏安图形，可以获得超级电容器的倍率性能和电容行为。
可以通过计算循环伏安曲线中电流和电压之间的包围面积计算材料的比电 容，具体计算方式如下：
Figure BDA0002933876840000131
式中m为电极片中活性物质的质量(g)；u为扫描速度(V/s)；Vl和V2分 别是循环伏安测试过程中的电势窗口低压和高压值(V)；I为循环伏安测试过 程中的电流(I)。
Figure BDA0002933876840000132
即循环伏安曲线中电流和电压包围的面积。
循环伏安法测量参数：
工作电压窗口：0-0.9V
扫描速度：5mv/s、10mg/s、20mv/s、30mv/s、50mv/s、70mv/s、100mv/s
3.2.2交流阻抗测试(Electrochemical Impedance Spectroscopy)
交流阻抗测试可用来研究电容器在不同电位条件下的阻抗和频率响应特 性。在开路电压下测得的交流阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy， EIS)Nyquist图中Z′为横坐标代表阻抗的实部，-Z″为纵坐标代表阻抗的虚部， 对于电容器电极材料Nyquist曲线是由高频区的半圆和低频区的直线组成。对实 施例1～8的活化海绵电容材料进行交流阻抗测试，结果如13～16所示。
开路电位测量参数：
采样间隔：0.1
高电位：0.9V
低电位：0V
交流阻抗测试参数：
开路电位的频率范围：0.01Hz—100kHz
振幅：0.005V
3.2.3恒电流充放电测试(Gavalnostatic Charge-discharge method)
恒电流充放电，即在特定的电流下充电至设定电压的上限值，随后以相同 的电压放电至电压的下限值。电流为施加的控制信号，电压为测量的响应信号。 所得谱图对于电容器，存在公式C＝Q/U＝It/U，式中C表示电容器的电容值，Q 表示电容器所存储的电荷，U表示电容器上的电压，I表示充电或者放电的电流， t表示充电或者放电的时间。根据以上公式，可以推导出理想的超级电容器的恒 流充放电曲线呈现对称的等腰三角形。然而，实际的超级电容器的恒流充放电 曲线会存在一些畸变。这是由于超级电容器自身具有内阻，在电流方向发生改 变时，会有一个电势降产生，同时充放电过程中可能会伴随一些不可逆的电化 学反应，这些因素都有可能导致实际的超级电容器恒流充放电曲线与电容器的 充放电曲线存在偏离。
通过恒流充放电曲线，也可以计算出电极材料的比容量。计算公式如下：
Figure BDA0002933876840000151
公式中Cg为质量比电容(F g-1)，I为放电电流(A)，Δt为放电时间 (s)，m为活性物质质量(g)，ΔV为工作电压区间(V)。
通过恒电流充放电测试获得电极材料的容量和倍率性能。根据海绵的充放 电特性在不同的电流密度下进行恒流充放电测试，得到倍率性能曲线。对实施 例1的预处理海绵、实施例1的一步法海绵以及实施例1～8的活化海绵电容材 料进行恒电流充放电测试，结果如图17～26所示。
测量参数：
低电位：0V
高电位：0.9V
电流密度：0.1A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、3A/g、5A/g、10A/g。
3.3通过循环伏安法计算各海绵电容材料的比电容
计算方法为：
Figure RE-GDA0003117664680000152
式中m为电极片中活性物质的质量(g)；u为扫描速度(V/s)；Vl和V2分 别是循环伏安测试过程中的电势窗口低压和高压值(V)；I为循环伏安测试过 程中的电流(I)。
Figure BDA0002933876840000153
即循环伏安曲线中电流和电压包围的面积，数据如表 1～2所示。
表1实施例1的预处理海绵、一步法海绵和活化海绵电容材料的比电容
Figure BDA0002933876840000161
表2实施例1～6的活化海绵电容材料的在不同扫描速率下的比电容
Scan Rate 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
0.1 42.89925 29.22877 19.01483 2.74391 7.46343 1.5914
0.07 65.14888 41.98493 22.83863 4.25552 10.25935 2.02576
0.05 87.86035 54.79412 26.89721 5.69983 12.34801 2.5671
0.03 118.2331 72.56167 34.69968 8.05398 14.18478 4.07629
0.02 136.2607 84.54282 43.59168 9.92985 15.03954 6.29608
0.01 157.376 99.00193 67.83449 12.5169 16.65486 14.97396
0.005 171.6497 107.2284 95.38297 14.2378 17.63912 34.55555
四、活化海绵电容材料的电化学性能表征方法
4.1扫描电子显微镜
采用扫描电子显微镜对实施例1的预处理海绵、一步法海绵和活化海绵 电容材料使用扫描电子显微镜测试其表面的形貌。结果如图28～30所示。
4.2X射线光电子能谱
对实施例1的预处理海绵、一步法海绵和活化海绵电容材料使用X射线 光电子能谱技术测量三种海绵不同结合能区间内的化学键、元素组成和含 量，结果如图31～42所示。
五、结论
根据图3～12可知，循环伏安曲线越接近矩形说明体系越接近理想电容器， 在较大的扫描速度下大部分扫描曲线表现为梭形。可以看出所有海绵的循环伏 安曲线均无氧化还原峰，具有较好的对称性，表现出良好的双电层电容行为和 循环可逆性能。若随着扫描速率的增加，循环伏安曲线封闭面积呈现变大趋势， 则说明样品具有良好的电容保持率。曲线形状偏离矩形的幅度也随着扫描速率 的增加而增加。
实施例1的预处理海绵、实施例1的一步法海绵和实施例1的活化海绵电 容材料的CV曲线显示出近似矩形的形状，是典型的电极材料双电层行为的特 征。根据CV曲线计算出三种海绵的比电容，在扫描速率为5mV/s时，实施例 1的预处理海绵、实施例1的一步法海绵和实施例1的活化海绵电容材料的比电 容分别为6.77F/g，67.2F/g和171.6F/g。结果清楚地表明，rGO的负载和KOH 活化对于提高海绵的比电容均至关重要。
其中，实施例7海绵的CV曲线呈倾斜的薄橄榄形。倾斜角随着扫描速率的 增加而增加，而理想双电层电容器的CV曲线通常接近矩形。结果表明，实施例 7海绵不是双电层超级电容器的理想电极材料。与相似条件下实施例7海绵的 CV曲线相比，实施例1海绵的CV曲线接近对称的矩形，具有理想的双电层电 极材料的典型特征。实施例8海绵的CV曲线形状不对称，意味着该海绵不是双 电层电容器的理想电极材料。根据CV曲线计算出三种海绵的比电容，在扫描速 率为5mV/s时实施例7，实施例1和实施例8显示的比电容为35.5F/g，171.6F/g 和37.5F/g，结果表明实施例1具有最高的比电容。
交流阻抗曲线由高频区的半圆和低频区的直线构成。高频区的半圆曲线代 表电极的传荷电阻，半圆曲线越大材料的传荷阻抗也越大。根据图13～16所示， 各实施例1的半圆曲线直径从大到小依次为：实施例7＞实施例4＞实施例5＞ 实施例6＞实施例2＞实施例3＞实施例8＞实施例1。结果表明，在这8种海绵 中，实施例1的半圆曲线直径最小，即传荷阻抗最小，具有最高的电导率。而 且实施例1海绵的EIS曲线低频区域的近垂直斜率表明实施例1的电极中离子 的迁移速度较快。
由恒流充放电曲线可以看出电极材料的充放电性能，曲线越接近等边三角 形电极材料内阻越小，充放电时间越长电容越大，而随着充放电电流密度的增 加，充放电时间变得越来越短，电容器的倍率性能越好这种随电流密度增加充 放电时间变短的速度越慢。根据图19～26所示，实施例2、4～7的活化海绵的充 放电曲线并不是三角形，所以显示了不可逆的充放电过程。实施例3和8的活 化海绵的充放电曲线呈三角形，但并不是近对称三角形，说明IR(内阻)降较 大。而实施例1的充放电曲线呈近对称三角形，说明其具有很小的IR(内阻) 降，尤其是在高电流密度(例如5A/g)下，实施例1海绵具有典型的双电层电 容器(EDLC)电极的特征。
根据图27和表1～2可知，只有完整经过预处理-一步法-活化过程的海绵才 会有良好的比电容性能。一步法过程当中石墨烯以及多巴胺的增加或减少均会 使比电容降低。降低活化温度会降低海绵的比电容。所以实施例1 (800-2-1-800-800)是获得高比电容海绵的最优条件。
电化学表征的结果表明实施例1的活化海绵电容材料显示出最理想的双电 层电容行为，这与实施例1的活化海绵电容材料具有最大的比表面积一致。使 用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法通过氮吸附确定海绵的比表面积(SSA), 实施例1的活化海绵电容材料的BET比表面积为1555m2/g，其后依次为实施例 2活化海绵电容材料(809m2/g)，实施例3活化海绵电容材料(304m2/g)，实 施例4活化海绵电容材料(32m2/g)和实施例5的活化海绵电容材料(18.7m2/g)。 活化海绵电容材料的比表面积与它们的比电容相关性极高。比表面积越大比电 容越高是双电层电容材料的典型特征。当氧化石墨烯(GO)的浓度太高时，GO堵塞和沉淀可能会阻碍GO进入孔结构当中。当GO在水凝胶中出现沉淀时， GO会发生严重的堆积现象。另一方面，当多巴胺的浓度太低时，GO片之间没 有足够的多巴胺(DA)作为交联剂和间隔基，这也可能导致GO的大量重叠堆 积。根据结果可确认GO浓度为2.0g/L和DA浓度为1.0g/L是最佳条件。
如图28所示，SEM图像显示了实施例1的预处理海绵的三维多孔的网络结 构，该结构通过大部分光滑的支化纤维相互连接，这与其低BET比表面积(0.27 m2/g)一致。如图29所示，在一步法海绵中负载氧化石墨烯(GO)和多巴胺后， SEM图像表明一步法海绵中保持有完整的支撑骨架。一步法海绵的孔隙被分散 的薄片(可能是rGO薄片)和衍生自多巴胺(DA)的富氮石墨烯占据。如图 30所示，实施例1的活化海绵电容材料的rGO片或DA衍生的石墨烯不会直接 沉积在海绵骨架表面。rGO可以通过大片rGO的皱褶特征进一步识别。结果表明，通过水凝胶的形成将GO加载到三聚氰胺海绵的孔结构中可以分散GO/rGOs 片，同时限制GO/rGO片的重新堆积。另外，rGO片在原始的结构上形成额外 的互连结构，进一步增加了海绵的电导率。由于存在rGO片和DA衍生石墨烯 片，实施例1的一步法海绵的BET比表面积已大大增加至493m2/g。图29和图 30表明，实施例1的活化海绵电容材料基本上保留了实施例1的一步法海绵的 三维多孔结构。另外，在支撑骨架的表面和孔内的散布片上刻蚀出密集的皱褶 和分散的孔，从而显着增加了实施例1的活化海绵电容材料的BET比表面积(1555m2/g)。实施例1的活化海绵电容材料具有较大的可触及表面积和发达 的互连3D多孔结构，与其理想的双电层电容器性能一致。
根据图31～42所示，实施例1的预处理海绵、一步法海绵和活化海绵电容 材料均是：在285eV处主要存在C峰，在400eV处存在N峰，在533eV处存 在O峰。如图31～34所示，实施例1的预处理海绵的高分辨率C1s光谱可以拟 合为三个主要成分：C＝C/C-C(285.0eV)，C-N/C-O(285.7eV)和C-O-C(287.1 eV)；它的高分辨率N1s光谱以嘧啶N(398.2eV)为主，其次是吡咯N(399.5 eV)和季铵N/石墨N(400.8eV)。高分辨率O1s光谱可分为四个成分：醌/吡啶酮O(531.1eV)，C＝O(532.5eV)，C-O-C(532.9eV)和羧基O(535.8 eV)。与实施例1的预处理海绵相比，实施例1的一步法海绵和实施例1的活 化海绵电容材料的C1s光谱C＝C键的比例更高。因为进入到实施例1的一步法 海绵和实施例1活化海绵电容材料的孔隙中的rGO和源于DA/PDA含有大量的 C＝C键。在实施例1的一步法海绵和实施例1的活化海绵电容材料的N1s光谱 中，季铵N/石墨N组分的比例增加，表明源自DA/PDA碳化的石墨N的负载增加。氮掺杂可改善电极材料的表面极性和导电性。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的 范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换 均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺海绵清洗烘干后，在惰性气体下加热碳化并保温，冷却后再清洗并进行干燥，得到预处理海绵；所述三聚氰胺海绵具有三维多孔结构；
2)将氧化石墨烯分散在水中，混合均匀，再添加多巴胺，得到多巴胺氧化石墨烯水溶液；
3)将步骤1)所得的预处理海绵浸泡在步骤2)所得的多巴胺氧化石墨烯水溶液中，挤压排出预处理海绵内部的空气，加热，在预处理海绵上形成多巴胺氧化石墨烯水凝胶，静置，然后去除预处理海绵表面的多巴胺氧化石墨烯水凝胶，再进行干燥，得到复合海绵；
4)将步骤3)所得的复合海绵在惰性气体下加热碳化并保温，冷却，得到一步法海绵；
5)将步骤4)所得的一步法海绵浸泡在氢氧化钾水溶液中，干燥，得到氢氧化钾-一步法海绵；
6)将步骤5)所得的氢氧化钾-一步法海绵在惰性气体下加热碳化并保温，冷却后，清洗并干燥，得到活化海绵电容材料。
2.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述三聚氰胺海绵的制备原料包括混合比为1～3：1～2：1～2的甲醛、三聚氰胺和亚硫酸氢钠共聚物的组合物。
3.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤1)、4)和6)中，加热温度为600～900℃，升温速率为2～10℃/min，保温时间为1～3小时。
4.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤1)、3)、5)和6)中，所述干燥的温度为50～60℃。
5.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，将所述氧化石墨烯分散在所述水中，混合均匀，调节溶液pH为6～8，再添加所述多巴胺。
6.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述氧化石墨烯多巴胺水溶液中多巴胺的浓度为0.1～10g/L。
7.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述静置的温度为50～80℃，所述静置的时间为2～12小时。
8.如权利要求1所述的活化海绵电容材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述一步法海绵与所述氢氧化钾水溶液中的氢氧化钾的质量比为1：2～4。
9.一种活化海绵电容材料，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述的活化海绵电容材料的制备方法制得。
10.一种活化海绵电容材料的应用，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述的活化海绵电容材料的制备方法制得的活化海绵电容材料用于制备超级电容器的电极材料。
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