Изучение каталитического синтеза углеродных наноструктур при микроволновом пиролизе целлюлозы
А.Н. Заритовский1, Е.Н. Котенко1, С.В. Грищук1, В.А. Глазунова2,1, Г.К. Волкова2,1
1 ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
2 ФГБНУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.864
Оригинальная статья
Аннотация: Одно из направлений разработки методов эффективного и экономичного синтеза углеродных наноструктур из растительного сырья заключается в использовании для проведения пиролитических преобразований биомассы энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Объединение микроволнового облучения и процесса пиролиза представляет собой новое решение, имеющее ряд преимуществ, повышающих эффективность переработки биомассы и определяющих перспективность микроволнового пиролиза в получении углеродных нанопродуктов. В работе изучены условия процесса каталитического синтеза углеродных нанотрубок при микроволновом пиролизе целлюлозы – основного компонента биомассы. Задача исследования – оценка влияния бинарного никель-железного катализатора на углеродном носителе на синтез углеродных наноструктур, протекающий в процессе с участием органических добавок (глюкозы, тиомочевины), назначение которых заключается в предотвращении окислительных процессов в системе и поддержании активности катализатора. Опыты выполнялись посредством обработки микроволновым излучением частотой 2450 МГц и мощностью 1000 Вт смеси реагентов в течение 10-12 минут. Синтезированные образцы охарактеризованы методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Во всех экспериментах наблюдалось образование многостенных углеродных нанотрубок и малослойных графеновых частиц. Экспериментально установлено, что используемый катализатор проявил большую активность в процессах микроволнового синтеза углеродных нанотрубок в присутствии глюкозы.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, целлюлоза, микроволновой пиролиз, никель- железный катализатор, глюкоза, тиомочевина
- Заритовский Александр Николаевич – к.х.н., старший научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
- Котенко Елена Николаевна – младший научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
- Грищук Светлана Владимировна – младший научный сотрудник отдела супрамолекулярной химии, ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
- Глазунова Валентина Александровна – научный сотрудник отдела физики и техники высоких давлений и перспективных технологий, ФГБНУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина», инженер отдела супрамолекулярной химии ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
- Волкова Галина Кузьминична – научный сотрудник отдела физики и техники высоких давлений и перспективных технологий, ФГБНУ «Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина», инженер отдела супрамолекулярной химии ФГБНУ «Институт физико-органической химии и углехимии им. Л.М. Литвиненко»
Ссылка на статью:
Заритовский, А.Н. Изучение каталитического синтеза углеродных наноструктур при микроволновом пиролизе целлюлозы / А.Н. Заритовский, Е.Н. Котенко, С.В. Грищук, В.А. Глазунова, Г.К. Волкова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 864-872. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.864.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Zhang, X. An overview of a novel concept in biomass pyrolysis: microwave irradiation / X. Zhang, K. Rajagopalan, H. Lei et al. // Sustainable Energy and Fuels. ‒ 2017. ‒ V. 1. ‒ I. 8. – P. 1664-1699. DOI: 10.1039/c7se00254h.
2. Baghel, P. Ultrafast growth of carbon nanotubes using microwave irradiation: characterization and its potential applications / P. Baghel, A.K. Sakhiya, P. Kaushal // Heliyon. – 2022. – V. 8. – I. 10. – Art. № e10943. – 20 p. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e10943.
3. Ge, L. A review of comprehensive utilization of biomass to synthesize carbon nanotubes: From chemical vapor deposition to microwave pyrolysis / L. Ge, M. Zuo, Y. Wang et al. // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2024. – V. 177. – Art. № 106320. – 16 p. DOI: 10.1016/j.jaap.2023.106320.
4. Adeola, A.O. Microwave-assisted synthesis of carbon-based nanomaterials from biobased resources for water treatment applications: emerging trends and prospects / A.O. Adeola, M.P. Duarte, R. Naccache // Frontiers in Carbon. – 2023. – V. 2. – Art. № 1220021. – 29 p. DOI: 10.3389/frcrb.2023.1220021.
5. Mugadza, K. Synthesis of Carbon Nanomaterials from Biomass Utilizing Ionic Liquids for Potential Application in Solar Energy Conversion and Storage / K. Mugadza, A. Stark, P.G. Ndungu, V.O. Nyamori // Materials. ‒ 2020. ‒ V. 13. – Art. № 3945. – 26 p. DOI: 10.3390/ma13183945.
6. Дейнеко, И.П. Химические превращения целлюлозы при пиролизе / И.П. Дейнеко // Лесной журнал. ‒ 2004. ‒ № 4. ‒ C. 97-111.
7. Morgan Jr., H.M. A review of catalytic microwave pyrolysis of lignocellulosic biomass for value-added fuel and chemicals / H.M. Morgan Jr., Q. Bu, J. Liang et al. // Bioresource Technology. – 2017. – V. 230. – P. 112-121. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.01.059.
8. Wang, Z. State-of-the-Art on the Production and Application of Carbon Nanomaterials from Biomass / Z. Wang, D. Shen, C. Wu, S. Gu // Green Chemistry. ‒ 2018. ‒ V. 20. – I. 22. – P. 5031-5057. DOI: 10.1039/c8gc01748d.
9. Omoriyekomwan, J.E. Mechanistic study on direct synthesis of carbon nanotubes from cellulose by means of microwave pyrolysis / J.E. Omoriyekomwan, A. Tahmasebi, J. Zhang, J. Yu // Energy Conversion and Management. – 2019. – V. 192. – P. 88-99. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.04.042.
10. Omoriyekomwan, J.E. A review on the recent advances in the production of carbon nanotubes and carbon nanofibers via microwave-assisted pyrolysis of biomass / J.E. Omoriyekomwan, A. Tahmasebi, J. Dou et al. // Fuel Processing Technology. – 2021. – V. 214. – Art. № 106686. – 22 p. DOI: 10.1016/j.fuproc.2020.106686.
11. Omoriyekomwan, J.E. Formation of hollow carbon nanofibers on bio-char during microwave pyrolysis of palm kernel shell / J.E. Omoriyekomwan, A. Tahmasebi, J. Zhang, J. Yu // Energy Conversion and Management. – 2017. – V. 148. – P. 583-592. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.06.022.
12. Cruz-Silva, E. Heterodoped Nanotubes: Theory, Synthesis, and Characterization of Phosphorus-Nitrogen Doped Multiwalled Carbon Nanotubes / E. Cruz-Silva, D.A. Cullen, L. Gu et al. // ACS Nano. ‒ 2008. ‒ V. 2. – № 3. ‒ Р. 441-448. DOI: 10.1021/nn700330w.