CN112645328B - 一种含氮多孔碳材料的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含氮多孔碳材料的制备方法，包括：对烟草材料进行活化、浸渍、碳化和净化等处理即得到含氮多孔碳材料，其中，所述浸渍的步骤包括在含活化剂烟草原料的表面形成包覆层。在所述碳化处理过程中从烟草材料中逸出的烟碱因包覆层束缚难以快速分散到包覆层外部，同时也会参与碳化，其中的氮元素作为最终碳材料的氮源，有效提高了烟草基碳材料制备过程中内源氮元素的利用率和碳产品的收率。本发明还提供一种由上述方法制备的含氮多孔碳材料的应用，所述含氮多孔碳材料应用于卷烟滤嘴、土壤改良剂、水处理吸附剂或电极中。

Description

一种含氮多孔碳材料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种烟草废弃物的回收利用，尤其涉及一种含氮多孔碳材料的制备方法和应用。

背景技术

我国是世界烟草大国，其种植面积、总产量、卷烟产量及销售量均居世界首位。在烟叶及加工过程中不可避免会产生大量的废弃物，据统计，仅2015年产生的烟秆就达1.163×10⁶吨。由于烟秆可用性相对较差，绝大部分以掩埋丢弃或焚烧的方式处理，综合利用率极低，不仅造成了环境污染，而且浪费了大量的现有资源。

活性炭是一类多孔固体碳材料，因其具有发达的空隙结构和巨大的比表面积，因而赋予其独特的强吸附性能，加上其化学性质稳定，不溶于水和其他大部分溶剂，使其在吸附、分离、催化等领域得到广泛应用。研究表明，活性炭与醋酸纤维按一定比例制成的二元复合滤棒在选择性降低卷烟焦油、苯并芘、羰基化合物等方面效果显著，故新型功能性活性炭的制备对于卷烟降焦减害具有十分重要的意义。

烟草基多孔碳的制备主要是基于原料的热转化过程，按照是否有外加活化剂的参与，分为直接碳化法和物理/化学活化法两种。直接碳化法（含水热法）是制备生物炭最传统的方法，过程相对简单，通过该方法所制备的碳材料，往往原料热解不完全，孔道主要以微孔和大孔为主，孔隙不发达，比表面积相对较低，常用作土壤改良剂。活化法是在高温惰性气氛中，将植物前驱体或碳化材料与活化剂接触并发生化学反应达到造孔的目的，是制备高比表面积、高孔隙度多孔碳的常用方法。根据活化剂种类或活化机制的不同，主要包括物理活化法和化学活化法两种。

物理活化法通常包括两步：首先将生物质原料直接碳化，而后在高温条件下采用H₂O、CO₂或O₂等氧化性气体对碳化材料进行刻蚀，以进一步扩大孔径和增加比表面积。在烟杆的综合利用中，夏洪应等人分别采用二氧化碳和水蒸气活化法制备了微孔型烟秆基颗粒活性炭（夏洪应，彭金辉，张利波等．二氧化碳活化制备烟杆基颗粒活性炭的研究[J]．黄金．2006(07):38-41. 夏洪应，彭金辉，张利波等．水蒸气活化制备烟杆基颗粒活性炭的研究[J]．离子交换与吸附．2007(02):112-118. 夏洪应，彭金辉，张利波等．微波辐射-水蒸气法制备烟杆基颗粒活性炭[J]．化学工程．2007(01):48-51.）。物理活化法所制备的碳材料BET比表面积相对较低，且孔隙绝大部分属于微孔，介孔及大孔含量很低。

化学活化法是在活化阶段向原料中添加强碱、强酸或强氧化剂化学试剂，如HNO₃、KOH、MnO₂、ZnCl₂等的一种方法。故相比于直接碳化和物理活化法，化学活化多孔碳的比表面积和孔隙度更为发达。然而，在化学活化步骤中会用到大量高成本的活化剂，且大多数活化剂在高温条件下对设备的腐蚀问题相当严重。中国专利申请号CN021132704、发明名称为“微波辐射烟杆固体废弃物制造活性炭的方法”的专利申请公开了一种将烟杆与氯化锌溶液浸渍后经加热得到活性炭产品的方法。该方法在实际生产过程中存在氯化锌的挥发污染问题。中国专利申请号CN2005100106702、发明名称为“一种生产高比表面活性炭的方法”的专利申请公开了一种将烟杆与氢氧化钾溶液浸渍再经加热生产高比表面积活性炭的方法。中国专利申请号CN2009101846454、发明名称为“一种高孔活性炭的制备方法”的专利申请公开了一种高将生物质原料、磷酸和活化助剂（过氧或过硫化合物）混合浸渍、升温活化制备活性炭产品的方法。发明专利申请CN2005100106702和CN2009101846454由于碱或酸的使用均是在高温条件下，故对设备的腐蚀问题严重，且收率较低。

在氮元素掺杂制备策略中，根据氮元素来源的不同，氮掺杂多孔碳的制备方法主要有热解含氮前驱体或借助外源含氮试剂进行碳化两种。对于氮元素贫乏的生物质，常在碳化或活化阶段引入外源含氮化学品如氨气、尿素、三聚氰胺、聚吡咯等试剂，借助含氮试剂与碳材料表面含氧官能团的反应来达到引入氮元素的目的，针对不同种类生物质前驱体，目前已有大量文献展开了详细研究。为提高烟秆碳的氮含量，Ma等采用外源法也进行了初步尝试，先将烟秆与乙（撑）二胺混合进行水热碳化，而后高温活化，制备出O, N-双掺杂碳材料，但N含量随活化温度的升高下降较快，500℃时为5.22%，当活化温度升至800℃时，N含量仅为1.8%（Applied Surface Science, 459 (2018) 657-664.）。Xiong等以烟蒂为原料制备出用于超级电容的氮掺杂多阶多孔碳材料，该制备方法包括将烟蒂浸入乙腈溶液中，再加入吡咯，然后加入FeCl₃使吡咯聚合，随后于4℃进行超声处理并维持4℃10 h，清洗后得到烟蒂/聚吡咯复合材料，干燥；干燥后的烟蒂/聚吡咯复合材料与KOH均匀混合后于800℃碳化，得到氮掺杂多阶多孔碳材料，其氮元素来源于聚吡咯，且含氮量可以为2.34%（Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 95 (2019) 315–323）。

另外，外源法制备时需要在反应体系（高温液相或气相）中引入新的化学试剂，不仅对制备设备的材料提出了更高的要求，同时也增加了尾气或淋洗液的处理成本。与外源法相比，借助前驱体自身的化学组成无疑对制备环节的影响最小，也最为经济。烟秆等烟草资源中富含氮元素，且主要存在于烟碱中，在制备富氮碳材料赝电容器方面具有天然优势。但截至目前，由其制备的碳材料氮含量普遍不高，主要原因在于烟碱的沸点较低（247℃），现有的直接碳化法、物理活化法和自活化法等在热转化过程均会有烟碱大量的溢出，且绝大部分的烟碱均能从烟草基质中迁移出来，如在溶液体系中150~160℃水热条件下（TheJournal of Supercritical Fluids, 153 (2019) 104593.）、气-固体系中小于250℃的温度下（Journal of Renewable and Sustainable Energy, 8 (2016)013112；Journal ofThermal Analysis and Calorimetry, 136 (2018) 783-794；Energy & Fuels, 30(2016) 1579-1588.；Applied Thermal Engineering, 106 (2016) 473-479；Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis, 112 (2015) 80-87）。目前，由烟草制备的碳材料氮含量的随机性较大，在碳材料的各种制备方法中针对植物前驱体中行内源氮，尤其是挥发性内源氮的可控利用，尚未有文献报道或专利申请。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种含氮多孔碳材料的制备方法和应用，以克服上述问题。

本发明提出一种含氮多孔碳材料的制备方法，包括：

活化 先将烟草颗粒原料浸渍于活化剂溶液中，使所述烟草颗粒原料负载所述活化剂溶液中的活化剂；再进行干燥处理得到含活化剂烟草原料，其中，所述活化剂在所述活化剂溶液中的质量分数为1%～20%；

浸渍 先将无机层前驱体溶液滴加到所述含活化剂烟草原料中，然后于30℃～100℃干燥，获得无机包覆烟草材料，该无机包覆烟草材料包括所述含活化剂烟草原料和包覆在所述含活化剂烟草原料表面的无机凝胶层；

碳化 对所述无机包覆烟草材料进行碳化处理，制得无机包覆多孔碳复合材料，该无机包覆多孔碳复合材料包括多孔碳颗粒和包裹所述多孔碳颗粒的无机层；

净化 对所述无机包覆多孔碳复合材料进行净化处理去除所述无机层，洗涤、干燥后，即得到含氮多孔碳材料。

基于上述，所述烟草颗粒原料的制备方法包括：对烟草材料进行清洗、烘干、粉碎处理，获得所述烟草颗粒原料。具体地，先将所述烟草材料洗净，再在50℃～120℃烘干至含水率在10%以下，然后进行粉粹处理得到所述烟草颗粒原料，所述烟草颗粒原料的粒度200目以下。其中，所述烟草颗粒原料优选为20～150目。所述烟草颗粒原料的形状为不规则的条形或球形，可筛分为统一尺寸。所述烟草材料为烟草基原料、卷烟材料或两者的任意组合，其中，所述烟草基材料为烟叶、烟梗、烟秆或其任意组合，所述卷烟材料可以为烟蒂。

基于上述，在所述活化的步骤中，所述活化剂在所述烟草颗粒原料上的负载量为所述烟草颗粒原料质量的0.5%～20%。所述活化剂的负载量优选为4%～12%，如5%、10%等。

基于上述，所述活化剂为KOH、ZnCl₂、H₃PO₄或MnO₂。

基于上述，所述浸渍的步骤包括：将所述无机层前驱体溶液滴加到所述含活化剂烟草原料，直至所述无机层前驱体溶液正好浸没所述含活化剂烟草原料的表面，静置老化，在所述含活化剂烟草原料的表面形成包覆层，然后在30℃～100℃进行干燥处理，制得所述无机包覆烟草材料；其中，所述无机层前驱体溶液的体积浓度为5%～10%。

其中，所述无机包覆烟草材料中的所述无机凝胶层的厚度可以根据实际情况调节所述无机层前驱体溶液的浓度或所述浸渍步骤的实施次数来调整。所以，优选地，上述含氮多孔碳材料的制备方法还包括多次重复所述浸渍的步骤。

所述浸渍的步骤的主要目的是为了减少或避免后续碳化处理过程中烟草材料中的烟碱逸出，从而提高了烟碱中的氮元素的利用率。所述无机凝胶层的形成原理为：借助所述活化剂溶液或空气水分使所述无机层前驱体发生水解作用即可在所述含活化剂烟草原料的表面形成无机凝胶层。

所述的厚度若比较薄，小于3 nm，那么在后续碳化的过程中形成的气体容易将所述无机凝胶层涨破，使得烟碱从无机凝胶层中逃出挥发到自然环境中，从而影响烟碱中氮元素的利用，也降低了含氮多孔碳材料中的含氮量。在碳化过程中，所述无机凝胶层会变成无机层，若无机凝胶层的厚度比较厚，则为后续去除无机层增加了难度，影响制备效率和成本，所以，无机凝胶层的厚度最好不超过100 nm。所以，优选地，所述无机凝胶层的厚度为3～100 nm。

基于上述，所述无机凝胶层为二氧化硅凝胶层，所述无机层为二氧化硅层。

基于上述，所述无机层前驱体溶液为SiCl₄的乙醚溶液、有机硅烷的乙醇溶液或水玻璃。其中，所述有机硅烷为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯等。

基于上述，所述碳化的步骤包括：将所述无机包覆烟草材料转移至容器中，升温至550～900℃，并维持0.5～5 h，优选1～2 h，得所述无机包覆多孔碳复合材料。

所述无机包覆烟草材料在碳化过程中，所述无机凝胶层中的无机凝胶材料失水形成所述无机层，同时，被包覆的含活化剂烟草材料会收缩，其中的碳源被碳化形成碳材料，同时从烟草材料中逸出的烟碱被分解沉积在碳材料的表面，碳材料被所述活化剂刻蚀形成梯级多孔碳，最终获得梯级含氮多孔碳材料。

基于上述，所述净化的步骤包括：采用体积分数5%～40%的HF酸清洗所述无机包覆多孔碳复合材料，以去除所述无机层和残留的所述活化剂，然后用去离子水反复洗涤至中性、干燥，即得所述含氮多孔碳材料。

具体地，将所述无机包覆多孔碳复合材料置于体积分数为5%～40%的HF酸溶液，于20～80℃浸泡0.5～12 h，然后进行水洗、干燥处理，即得所述含氮多孔碳材料。优选地，所述无机包覆多孔碳复合材料在浸泡于所述HF酸溶液的过程中不断搅拌。所述净化的步骤主要目的是为了除去含氮多孔碳材料表面包覆的无机层，基本上对所述含氮多孔碳材料及其所含氮元素没有影响。

本发明提供的上述方法制备的含氮多孔碳材料应用于卷烟滤嘴、土壤改良剂、水处理吸附剂或电极中。其中，所述水处理吸附剂可以是用于污水中重金属或有机染料的吸附剂。所述含氮多孔碳材料应用于电极中可以作为电极材料或电极材料的配方使用，如应用于超级电容器中。

因此，本发明提供的含氮多孔碳材料的制备方法具有以下特点：

1、烟草材料中富含氮元素，且主要存在于烟碱中，利用其制备碳材料的过程中，烟草中的烟碱中的氮元素大多并未作为原料进入到最终的碳材料。然而，本发明所提供的上述制备方法通过以烟草颗粒原料为对象，依次进行浸渍功能试剂活化剂、浸渍形成包覆层、碳化、净化去除包覆层、水洗等处理后即制得所述含氮多孔碳材料。本发明提供的制备方法通过在含活化剂烟草材料的表面形成包覆层，该包覆层在碳化过程中能够在一定时间内束缚烟碱以免分散到包覆层外，实现了减少或避免烟碱流失，所以本发明提供的上述制备方法能够提高烟碱作为氮源对碳材料的贡献度，能够提高烟草基碳材料制备过程中内源氮元素的利用率，同时增加碳产品的收率。

2、本发明提供的上述制备方法，对于由含氮植物类原料制备的含氮多孔碳材料具有普适性，尤其是植物类原料中含氮化合物易分解或挥发的物质，如豆类植物或种子、咖啡、燕麦、海藻等。

3、由本发明提供的方法制备出的含氮多孔碳材料为梯级孔碳材料，其在微孔（<2nm）、介孔（2～50 nm）、大孔（>50 nm）范围内均有一定的分布，更适合于粒径分布较宽的卷烟有害成分的吸附，且效果显著。

4、由本发明提供的方法制备出的含氮多孔碳材料是以烟草颗粒材料为原料制备的，是烟草基碳材料，而非商业化的椰壳炭或其他植物基或石油煤炭基原料，进而在卷烟燃吸过程中难以引入杂味，不影响卷烟整体抽吸口感；碳材料中氮含量的增加，强化了碳材料对烟气中苯酚和HCN的吸附。

附图说明

图1是本发明实施例提供的含氮多孔碳材料的制备流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供的含氮多孔碳材料的制备方法主要是通过先在烟草材料表面形成包覆层，然后再进行高温碳化处理，最后净化处理，即制得所述含氮多孔碳材料。其中，在高温碳化处理过程中，从烟草材料中逸出的烟碱因被包覆层束缚难以分散在自然环境中，所提供的微环境能够使得氮元素作为最终碳材料的氮源，实现了采用内源氮元素制备氮元素掺杂碳材料。

1、工艺参数对本发明制备出的含氮多孔碳材料的影响

主要通过控制包覆层的厚度和致密性来控制烟草材料中内源氮元素的利用以及所述含氮多孔碳材料中的含氮量。其中，影响包覆层的厚度和致密性的因素主要有：活化剂的负载量、无机层前驱体溶液的浓度、无机层的老化时间以及所述浸渍的步骤的重复次数，其中，改变所述无机层前驱体溶液的浓度和所述浸渍步骤的次数是最有效的制备途径。

试验条件 请参阅图1，一种含氮多孔碳材料的制备方法，包括：

1）预处理 将烟叶原料洗净后置于烘箱中50℃烘干至含水率在10%，粉碎至20～40目获得烟叶颗粒原料，该烟叶颗粒原料为不规则球形；

2）活化 称取所得烟叶颗粒原料10 g，干燥后将其置于质量分数10%的KOH水溶液中浸泡30 min，过滤、50℃烘箱中干燥后，反复数次调节活化剂KOH的负载量，得含活化剂烟草原料，且该含活化剂烟草原料上的KOH的负载量为所述烟草原料质量的0.5%～20%；

3）浸渍 按体积配置浓度5%～10%的SiCl₄乙醚溶液，将所述SiCl₄乙醚溶液与滴加到所述含活化剂烟草原料中进行等体积浸渍，静置5～10 min，而后抽滤，置于烘箱中30℃鼓风干燥，在所述含活化剂烟草原料的表面形成厚度为10～40 nm的二氧化硅凝胶层，制得二氧化硅凝胶包覆烟草材料；

4）碳化 干燥后的二氧化硅凝胶包覆烟草材料置于管式炉中，氮气气氛下，升温速率为50℃/min，升至550℃，并保持2 h，冷却后即制得SiO₂包覆多孔碳复合材料；

5）净化 将所述SiO₂包覆多孔碳复合材料置于质量浓度为5%的HF水溶液中，室温搅拌60 min，过滤，并水洗至中性，即得含氮多孔碳材料。

（1）活化剂负载量对所述含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量以及收率的影响

活化剂负载量分别为0.5%、5%、10%、20%，SiCl₄乙醚溶液的浓度5%，SiO₂老化时间5min，所述浸渍的步骤重复3次；在该条件下制得的含氮多孔碳材料的结构参数及收率见表1。

其中，“含氮量”是由元素分析仪测得，其计算以相应条件下的对比样品碳材料的质量为基准；孔结构的相关参数是参照氮气物理吸附实验，采用BET法测定的；“收率”是采用电子天平测得的，是一次碳化材料相对烟草原料的收率。以下各表中的“微孔”孔径尺寸<2 nm、“介孔”孔径尺寸2～50 nm、“大孔”孔径尺寸>50 nm、“V_T”表示碳材料上的微孔、介孔和大孔的总体积。

表1 活化剂负载量对含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量及收率的影响

从表1中可以看出：所得含氮多孔碳材料的BET比表面积随活化剂负载量的增加而增加，总孔容呈一致变化趋势，含氮量均高于5%，最高可达11.5%，收率在40%～60%之间。

（2）无机层前驱体溶液的浓度对所述含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量以及收率的影响

SiCl₄乙醚溶液的浓度分别为5%、8%、10%，KOH的负载量为5%，SiO₂老化时间5 min，所述浸渍步骤实施1次；在该条件下制得的含氮多孔碳材料的结构参数及收率见表2。

表2 SiCl₄乙醚溶液的浓度对含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量及收率的影响

从表2中可以看出：随SiCl₄乙醚溶液浓度的增加，含氮多孔碳材料的BET比表面积有所减少，氮含量和碳基材料收率明显增加。

（3）浸渍步骤的重复次数对所述含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量以及收率的影响

KOH的负载量为5%，SiCl₄乙醚溶液的浓度5%，SiO₂老化时间5 min，所述浸渍步骤的重复次数分别为：1次、2次、3次；在该条件下制得的含氮多孔碳材料的结构参数及收率见表3。

表3 浸渍步骤的重复次数对含氮多孔碳材料的织构参数、

含氮量及收率的影响

从表3中可以看出：随着浸渍次数的增加，即随着包覆层改性次数的增加，所述含氮多孔碳材料的BET比表面积有所降低，氮含量和碳基材料收率明显增加。

2、烟草材料对本发明制备出的含氮多孔碳材料的影响

烟草材料对含氮多孔碳材料的影响主要是通过对比实施例样品和对比例样品的织构参数、氮含量及收率体现，如表4所示。具体试验方法如下：

（1）试验对象 实施例1～4分别采用烟叶、烟片、烟秆、烟蒂，其中，实施例1～4采用下面的试验条件进行。

制备法具体包括：

预处理 将试验对象洗净后置于烘箱中50℃烘干至含水率5%，粉碎至20～40目获得烟草颗粒原料，该烟草颗粒原料为不规则球形；

活化 称取所得烟草颗粒原料10 g，干燥后将其置于质量分数10%的H₃PO₄溶液中浸泡，过滤、50℃烘箱中干燥后，反复调节ZnCl₂的负载量，得含活化剂烟草原料，且所述ZnCl₂的负载量为所述烟草原料质量的5%；

浸渍 按体积配置5%的SiCl₄乙醚溶液，将所述SiCl₄乙醚溶液对所述含活化剂烟草原料中进行等体积浸渍，静置5 min，而后抽滤，置于烘箱中30℃鼓风干燥，获得二氧化硅凝胶包覆烟草材料；其中，二氧化硅凝胶层的厚度约为10～40 nm；

碳化 干燥后的二氧化硅凝胶包覆烟草材料置于管式炉中，氮气气氛下，升温速率为50℃/min，升至900℃，并保持1 h，冷却后即制得SiO₂包覆多孔碳复合材料粗品；

净化 将所述SiO₂包覆多孔碳复合材料置于质量浓度为5%的HF水溶液中，室温搅拌60 min，过滤，并水洗至中性，即得实施例样品。其中，原料分别为烟叶、烟片、烟秆、烟蒂的实施例样品分别标记实施例1、实施例2、实施例3和实施例4。

（2）对比例样品的试验条件 对比例样品的制备方法包括预处理、活化、碳化、净化四个步骤，其与实施例样品的制备方法基本相同，不同之处主要在于：对比例样品的制备方法省略“浸渍”的步骤，其它步骤及工艺参数相同。其中，原料分别为烟叶、烟片、烟秆、烟蒂的对比例样品分别标记对比例1、对比例2、对比例3和对比例4。

表4 烟草材料对含氮多孔碳材料的织构参数、含氮量及收率的影响

从表4中可以看出：在其它条件相同的情况下，与烟草材料表面不形成包覆层相比，采用本发明提供的方法制备出的含氮多孔碳材料的含氮量可以提高3倍以上。

3、由本发明提供的方法制备出的含氮多孔碳材料的应用

将实施例1～6制备的样品添加于卷烟滤嘴，所述滤嘴为三段式结构，中间为空腔结构，用于添加吸附材料实施例1～6制备的样品，实施例1～6制备的样品的添加量为每支20 mg；对比样品是在所述空腔段添加等量的石英砂。

将卷制的研制置于温度22±1 ℃，相对湿度60±2%条件下平衡48 h，然后采用综合测试台表征各烟支的物理参数，挑选平均质量±0.01 g及平均吸阻±49 Pa的烟支作为试验卷烟样品。用20 H型转盘型吸烟机按照GB/T 16450-2004吸烟机及其测试标准条件：风速为200±30 mm/s、抽吸容量35±0.3 ml、持续时间2 s、抽吸间隔60s，抽吸卷烟，用静电铺集管铺集主流烟气的中粒相物，用20 ml 10%(v/v)的硝酸溶液收集气相。烟气中苯酚、HCN的检测分析分别依据标准方法《YC/T 255-2008 卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》和《YC/253-2008 卷烟主流烟气中氰化氢的测定连续流动法》进行测定。结果如表5所示。

从表5中结果可以看出，与对照样相比，该碳材料在降低烟气中苯酚及HCN方面效果显著。

表5 含氮多孔碳材料对卷烟烟气中苯酚及HCN的降低性能

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种含氮多孔碳材料的制备方法，包括：

活化 先将烟草颗粒原料浸渍于活化剂溶液中，使所述烟草颗粒原料负载所述活化剂溶液中的活化剂；再进行干燥处理得到含活化剂烟草原料，其中，所述活化剂在所述活化剂溶液中的质量分数为1%～20%，所述活化剂在所述烟草颗粒原料上的负载量为所述烟草颗粒原料质量的0.5%～20%；

浸渍 先将无机层前驱体溶液滴加到所述含活化剂烟草原料中，然后于30℃～100℃干燥，获得无机包覆烟草材料，该无机包覆烟草材料包括所述含活化剂烟草原料和包覆在所述含活化剂烟草原料表面的无机凝胶层，且该无机凝胶层为二氧化硅凝胶层；

碳化 对所述无机包覆烟草材料进行碳化处理，制得无机包覆多孔碳复合材料，该无机包覆多孔碳复合材料包括多孔碳颗粒和包裹所述多孔碳颗粒的无机层，该无机层为二氧化硅层；

净化 对所述无机包覆多孔碳复合材料进行净化处理去除所述无机层，洗涤、干燥后，即得到含氮多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述活化剂为KOH、ZnCl₂、H₃PO₄或MnO₂。

3.根据权利要求1或2所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍的步骤包括：将所述无机层前驱体溶液滴加到所述含活化剂烟草原料，直至所述无机层前驱体溶液正好浸没所述含活化剂烟草原料的表面，静置老化，在所述含活化剂烟草原料的表面形成包覆层，然后在30℃～100℃进行干燥处理，制得所述无机包覆烟草材料；其中，所述无机层前驱体溶液的体积浓度为5%～10%。

4.根据权利要求3所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述无机层前驱体溶液为SiCl₄的乙醚溶液、有机硅烷的乙醇溶液或水玻璃。

5.根据权利要求4所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，还包括重复所述浸渍的步骤。

6. 根据权利要求3所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳化的步骤包括：将所述无机包覆烟草材料转移至容器中，升温至550～900℃，并维持0.5～5 h，得所述无机包覆多孔碳复合材料。

7.根据权利要求6所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述净化的步骤包括：采用体积分数5%～40%的HF酸清洗所述无机包覆多孔碳复合材料，以去除所述无机层和残留的所述活化剂，然后用去离子水反复洗涤至中性、干燥，即得所述含氮多孔碳材料。

8.根据权利要求1所述的含氮多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述烟草颗粒原料的制备方法包括：对烟草材料进行清洗、烘干、粉碎处理，获得烟草颗粒原料。

9.一种含氮多孔碳材料的应用，其特征在于，所述含氮多孔碳材料由权利要求1～8任一项所述的含氮多孔碳材料的制备方法制得，所述含氮多孔碳材料应用于卷烟滤嘴、土壤改良剂、水处理吸附剂或电极中。

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