О перспективах промышленного производства углеродных наноматериалов из угля
А.Р. Эль Занин, С.В. Борознин, Н.П. Борознина, И.В. Запороцкова
ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.779
Обзор
Аннотация: В настоящей работе на основе актуальных статистических данных проведен анализ современного состояния отечественной угольной отрасли, описаны ключевые вызовы и риски, связанные как с общемировыми тенденциями, так и факторами внешнеэкономического давления. В качестве возможной меры поддержки рентабельности угледобычи, обеспечении социально-экономической устойчивости регионов, вовлеченных в данную сферу, предлагается рассмотреть производство углеродных наноматериалов из угля. Стремительно растущий рынок углеродных наноматериалов мог бы дать дополнительный стимул для развития наукоемких и высокотехнологичных производств на базе угольной промышленности. Были рассмотрены различные группы методов, позволяющие получать углеродные наноматериалы из угля, среди которых ультразвуковая жидкофазная эксфолиация, гидро- и сольвотермальный синтез, прямой химический синтез, предполагающий
отсутствие необходимости в применении энергозатратных процессов, механохимическая активация,
электродуговой и плазмохимический методы, химическое осаждение из газовой фазы. В рамках рассмотрения каждого из подходов приведено подробное описание методик, позволяющих получать самые различные углеродные наноматериады: углеродные квантовые точки, графен, углеродные
нанотрубки, фуллерены. В заключении на основе сведений проведенного обзора выделены наиболее экономически целесообразные производственные стратегии как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.
Ключевые слова: уголь, углеродные квантовые точки, графен, углеродные нанотрубки, фуллерены, способы получения
- Эль Занин Антон Раджабович – магистрант 2 года обучения, инженер лаборатории спектральных методов анализа кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
- Борознин Сергей Владимирович – д.ф.-м.н., доцент, заведующий кафедрой судебной экспертизы и физического материаловедения, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
- Борознина Наталья Павловна – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения, заместитель директора Института приоритетных технологий по науке и внешним связям, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
- Запороцкова Ирина Владимировна – д. ф.-м. н., профессор, директор института приоритетных технологий, ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Эль Занин, А.Р. О перспективах промышленного производства углеродных наноматериалов из угля / А.Р. Эль Занин, С.В. Борознин, Н.П. Борознина, И.В. Запороцкова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 779-794. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.779. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Минэнерго: доля убыточных предприятий угольной отрасли РФ за 5 месяцев выросла до 62% – ТАСС. – Режим доступа: https://tass.ru/ekonomika/24397815. – 14.07.2025.
2. Количество убыточных крупных и средних предприятий и организаций c 2017 г. – Единая межведомственная
информационно-статистическая система (ЕМИСС). – Режим доступа: https://www.fedstat.ru/indicator/58028. – 07.09.2025.
3. Минэнерго ожидает консолидации угольной отрасли РФ – ТАСС. – Режим доступа: https://tass.ru/ekonomika/24387223. – 14.07.2025.
4. Плакиткина, Л.С. Современные тренды и прогноз развития угольной промышленности мира и России в условиях трансформации мировой экономики. Часть II. Угрозы и вызовы российской и мировой добыче угля, долгосрочные прогнозы (до 2060 г.) ее развития с использованием нейронных сетей / Л.С. Плакиткина, Ю.А. Плакиткин // Уголь. – 2024. – Т. 1183. – №. 8. – С. 130-139. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-8-130-139.
5. Shaker, L.M. Graphene-enabled advancements in solar cell technology / L.M. Shaker, A.A. Abdulamie, A.A. Al-Amiery // Journal of Alloys and Compounds. – 2025. – V. 1020. – Art. № 179583. – 20 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.179583.
6. Mokti, M.H. Investigating a sulfonate-rich carbon dot as a sensitizer in dye-sensitized solar cells / M.H. Mokti, H. A. Tajuddin, M. H. Buraidah et al. // Optical and Quantum Electronics. – 2025. – V. 57. – №. 1. – Art. № 94. – 17 p. DOI: 10.1007/s11082-024-07988-y.
7. Kausar, A. Breakthroughs of fullerene in optoelectronic devices - an overview / A. Kausar // Hybrid Advances. – 2024. – V. 6. – Art. № 100233. – 13 p. DOI: 10.1016/j.hybadv.2024.100233.
8. Zhang, Z. Green and efficient electrolysis of seawater using carbon nanotube-based hybrid films / Z. Zhang, H. Yang, F. Zhang et al. // Nano Energy. – 2024. – V. 123. – Art. № 109356. – 11 p. DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109356.
9. Modekwe, H. U. The current market for carbon nanotube materials and products / H.U. Modekwe, O.O. Ayeleru, M.A. Onu et al. // Handbook of Carbon Nanotubes. – Cham: Springer International Publishing, 2022. – P. 619-633. DOI: 10.1007/978-3-030-91346-5_73.
10. Каримова, К. Нанотрубки будущего: на чем зарабатывает первый русский «единорог» – РБК / К. Каримова. – Режим доступа: https://www.rbc.ru/quote/news/article/604b47fc9a79471cbc98a23e. – 15.07.2025.
11. Punetha, M. Industrial scale production, commercialization, and global market of functionalized carbon nanostructures / M. Punetha, J. Bhagat, R. Pathak et al. // In: Handbook of Functionalized Carbon Nanostructures: From Synthesis Methods to Applications. – Cham: Springer International Publishing, 2024. – P. 2743-2800. DOI: 10.1007/978-3-031-32150-4_75.
12. Schmaltz, T. Graphene roadmap briefs (No. 3): meta-market analysis 2023 / T. Schmaltz, L. Wormer, U. Schmoch, H. Döscher // 2D Materials. – 2024. – V. 11. – №. 2. – Art. № 022002. – 30 p. DOI: 10.1088/2053-1583/ad1e78.
13. Полушкин, С. Н. Исследование физико-химических свойств каменного угля 2СС как сырья для получения графеновых квантовых точек / С. Н. Полушкин, В. Ф. Олонцев, А. А. Минькова // Master's Journal. – 2016. – № 1. – С. 136-140.
14. Ye, R. Coal as an abundant source of graphene quantum dots / R. Ye, C. Xiang, J. Lin et al. // Nature communications. – 2013. – V. 4. – №. 1. – Art. № 2943. – 7 p. DOI: 10.1038/ncomms3943.
15. Liu, Q. Green preparation of high yield fluorescent graphene quantum dots from coal-tar-pitch by mild oxidation / Q. Liu, J. Zhang, H. He, G. Huang, B. Xing, J. Jia, C. Zhang // Nanomaterials. – 2018. – V. 8. – I. 10. – Art. № 844. – 10 p. DOI: 10.3390/nano8100844.
16. Mishra, S.R. White-light emitting self-assembled graphene quantum dots from coal soot / S. R. Mishra, T. Mandal, R. N. Senapati, V. Singh // Carbon Letters. – 2025. – V. 35. – I. 3. – P. 1067-1079. DOI: 10.1007/s42823-025-00860-3.
17. Das, B. Preparation and characterization of graphene oxide from coal / B. Das, R. Kundu, S. Chakravarty // Materials Chemistry and Physics. – 2022. – V. 290. – Art. № 126597. – 6 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126597.
18. Singh, S.B. Characteristics of graphene oxide-like materials prepared from different deashed-devolatilized coal chars and comparison with graphite-based graphene oxide, with or without the ultrasonication treatment / S.B. Singh, S. A. Dastgheib // Carbon. – 2024. – V. 228. – Art. № 119331. – 12 p. DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119331.
19. Zhao, K. Synthesis of multilayer graphene and its graphene derivatives from coal / K. Zhao, J. Cao, Y. Qi et al. // Physica Scripta. – 2024. – V. 99. – №. 3. – Art. № 035924. – 14 p. DOI: 10.1088/1402-4896/ad2327.
20. Chong, J. Mild Alkaline-Enhanced depolymerization of long-flame coal for the synthesis of coal-derived fluorescent carbon dots with application as probes / J. Chong, G. Hu, L. Xiao et al. // Fuel. – 2024. – V. 369. – Art. № 131795. – 10 p. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.131795.
21. Bai, J. Coal tar pitch derived nitrogen-doped carbon dots with adjustable particle size for photocatalytic hydrogen generation / J. Bai, N. Xiao, Y. Wang et al. // Carbon. – 2021. – V. 174. – P. 750-756. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.10.088.
22. Zheng, Y. Tailoring the optical properties of coal pitch-derived carbon dots by graphitization controlling / Y. Zheng, S. Ye, Q. Chang et al. // Energy & Fuels. – 2024. – V. 38. – I. 15. – P. 14475-14482. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c02129.
23. Bi, Y. Eco-friendly sustainable fluorescent coal-based carbon dots as a highly selective probe for Cu2+ detection / Y. Bi, B. Xing, H. Zeng et al. // Fuel. – 2024. – V. 378. – Art. № 132933. – 19 p. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.132933.
24. Sun, J. Photoelectrocatalytic degradation of wastewater and simultaneous hydrogen production on copper nanorod-supported coal-based N-carbon dot composite nanocatalysts / J. Sun, H. Maimaiti, B. Xu et al. // Applied Surface Science. – 2022. – V. 585. – Art. № 152701. – 12 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.152701.
25. Shi, C. Microwave-assisted grafting of coal onto nitrogen-doped carbon dots with a high quantum yield and enhanced photoluminescence properties / C. Shi, X. Y. Wei // Molecules. – 2024. – V. 29. – I. 6. – Art. № 1349. – 13 p. DOI: 10.3390/molecules29061349.
26. Li, X. Coal pitch derived yellow‐emissive carbon dots and their application in luminescent solar concentrators / X. Li, Q. Chang, C. Xue et al. // Particle & Particle Systems Characterization. – 2023. – V. 40. – I. 12. – Art. № 2300155. – 7 p. DOI: 10.1002/ppsc.202300155.
27. Cheng, Z.F. A highly efficient, rapid, room temperature synthesis method for coal-based water-soluble fluorescent carbon dots and its use in Fe3+ ion detection / Z.F. Cheng, X.Y. Wu, L. Liu et al. // New Carbon Materials. – 2023. – V. 38. – I. 6. – P. 1104-1115. DOI: 10.1016/S1872-5805(23)60706-1.
28. Патраков, Ю.Ф. Механохимические методы в углепереработке / Ю. Ф. Патраков, Н. И. Федорова, О. С. Гладкова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2008. – №. 12. – С. 96-101.
29. Корзун, К.А. Создание графеноподобного материала из каменных углей / К.А. Корзун, А.А. Ковалевский, Д.А. Котов, Ю.В. Запорожченко, С.В. Гранько // Молодежь в науке - 2018: Сборник материалов Международной конференции молодых ученых, Минск, 29 октября – 01 ноября 2018 года. – Минск: Республиканское унитарное предприятие «Издательский дом "Белорусская наука», 2019. – С. 408-416.
30. Семенов, Е.Е. Разработка метода выделения графеноподобных структур из углей высокой степени метаморфизма / Е.Е. Семенов // МНСК-2022: Материалы 60-й Международной научной студенческой конференции, Новосибирск, 10-20 апреля 2022 года. – Новосибирск: Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 2022. – С. 40-41.
31. Пат. 2442747 Российская Федерация, МПК C01B 31/00, B82B 3/00. Способ получения углеродных нанотрубок / Носачев Л. В.; заявитель и патентообладатель Носачев Л. В. – № 2010112533/05; заявл. 01.04.2010; опубл. 20.02.2012, Бюл. №5. – 8 с.
32. Пат. 2446095 Российская Федерация, МПК C01B 31/00, B82B 3/00. Установка для получения углеродных нанотрубок / Носачев Л.В., Подлубный В.В., Хасанова Н.Л., Цыбулько Д.Н., Шаныгин А.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» (ФГУП «ЦАГИ»). – № 2010112536/05; заявл. 01.04.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. №9. – 6 с.
33. Krätschmer, W. Solid C60: a new form of carbon / W. Krätschmer, L.D. Lamb, K. Fostiropoulos, D.R. Huffman // Nature. – 1990. – V. 347. – № 6291. – P. 354-358. DOI: 10.1038/347354a0.
34. Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / S. Iijima // Nature. – 1991. – V. 354. – № 6348. – P. 56-58. DOI: 10.1038/354056a0.
35. Pang, L.S.K. Fullerenes from coal / L.S.K. Pang, A.M. Vassallo, M.A. Wilson // Nature. – 1991. – V. 352. – № 6335. – P. 480. DOI: 10.1038/352480a0.
36. Pang, L.S.K. Nanotubes from coal / L.S.K. Pang, M.A. Wilson // Energy & Fuels. – 1993. – V. 7. – I. 3. – P. 436-437. DOI: 10.1021/ef00039a019.
37. Williams, K.A. Single-wall carbon nanotubes from coal / K.A. Williams, M. Tachibana, J.L. Allen et al. // Chemical Physics Letters. – 1999. – V. 310. – I. 1-2. – P. 31-37. DOI: 10.1016/S0009-2614(99)00725-3.
38. Ермагамбет, Б.Т. Синтез графеносодержащих наноматериалов на основе кокса методом электродугового разряда / Б. Т. Ермагамбет, М. К. Казанкапова, Б. К. Касенов, А. Ж. Айтмагамбетова, Е. Е. Куанышбеков // Химия твердого топлива. – 2021. – № 6. – С. 28-40. DOI: 10.31857/S0023117721060050.
39. Пат. 2488984 Российская Федерация, МПК H05H 1/00, B82B 1/00. Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления / Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Дамдинов Б.Б.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет». – № 2011106679/07; заявл. 22.02.2011; опубл. 27.07.2013, Бюл. №21. – 9 с.
40. Lv, X. Formation of coal-based carbon nanotubes by Fe-K catalyst / X. Lv, Y. Zhang, Y. Wang et al. // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2022. – V. 161. – Art. № 105400. – 11 p. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105400.
41. Wang, Y. Preparation of N, S co-doped carbon nanotubes composites by coal pyrolysis for the CO2 capture / Y. Wang, C. Zhang, M. Tang et al. // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2024. – V. 12. – I. 6. – Art. № 114452. – 13 p. DOI: 10.1016/j.jece.2024.114452.