[发明专利]多孔碳核壳复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种多孔碳核壳复合材料的制备方法，包括步骤活化处理、形成包覆层和碳化处理，所述活化处理的步骤中的活化溶液包括活化剂和偶联试剂，所述形成包覆层的步骤在烟草活化颗粒的表面形成包覆层，该包覆层包括无机材料和造孔剂。在碳化过程中，所述造孔剂分解后，所述包覆层转化成无机多孔层；所述烟草活化颗粒中的碳源被碳化形成碳材料；在碳化过程中，在碳材料形成前期，烟碱所处微环境促进其参与到碳材料的形成中，偶联试剂促进烟草材料中的有机氮化物接枝到碳材料上，碳材料被所述活化剂刻蚀形成梯级多孔富氮碳颗粒。所以，本发明提供的上述制备方法能够提高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。

技术领域

本发明涉及一种烟草废弃物的回收利用，尤其涉及一种多孔碳核壳复合材料的制备方法。

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。该方法所制备的碳材料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。

氮掺杂多孔碳有对增加碳材料的选择性有一定的帮助。目前多采用外源法：热解含氮前驱体或借助外源含氮试剂的方法，该两种方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。然而，现有的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；而且现有的烟草基碳材料在吸附、分离、催化等方面的选择性较弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多孔碳核壳复合材料的制备方法，以克服上述问题。

为此，本发明提出的技术方案为：一种多孔碳核壳复合材料的制备方法，包括：

活化处理 提供一活化溶液，所述活化溶液包括质量分数为1%～20%的活化剂和0.1～2 mol/L的偶联试剂；先将烟草颗粒原料浸渍于所述活化溶液中，再进行干燥处理，使所述烟草颗粒原料负载所述活化剂和所述偶联试剂，得到烟草活化颗粒；