Studying catalytic synthesis of carbon nanostructures during microwave-assisted pyrolysis of cellulose

封面

如何引用文章

全文:

详细

One of the ways to develop methods for effective and economical synthesis of carbon nanostructures from the plant raw materials is to use the energy of the microwave electromagnetic field for pyrolytic transformations of biomass. Combining microwave irradiation and pyrolysis process is a new solution with several advantages that increase the efficiency of the biomass processing and determine the prospects of the microwave pyrolysis in obtaining carbon nanoproducts. In this work, the conditions for catalytic synthesis of carbon nanotubes through the microwave pyrolysis of cellulose, a major component of biomass, were studied. The objective of the present investigation is to evaluate the effect of a binary nickel-iron catalyst supported on a carbon substrate on synthesis of carbon nanostructures. This process involves the use of organic additives, such as glucose and thiourea, which are intended to prevent oxidative reactions in the system and maintain the activity of the catalyst. Experiments were carried out by treating the mixture of reagents with the microwave radiation with a frequency of 2450 MHz and a power of 1000 W for 10-12 minutes. The synthesis samples were characterized by X-ray phase analysis and transmission electron microscopy. In all experiments, the formation of multi-walled carbon nanotubes and few-layer graphene particles was observed. It was experimentally found that the used catalyst showed great activity in the microwave synthesis of carbon nanotubes in the presence of glucose.

作者简介

Aleksandr Zaritovskii

L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry

Email: zaritovski@gmail.com
Ph. D., Senior Researcher, Department of Supramolecular Chemistry

Elena Kotenko

L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry

Junior Researcher, Department of Supramolecular Chemistry

Svetlana Grishchuk

L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry

Junior Researcher, Department of Supramolecular Chemistry

Valentina Glazunova

L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry; Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering

Researcher, Department of Physics and Engineering of High Pressure and Advanced Technologies, Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering; Engineer, Department of Supramolecular Chemistry, L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry

Galina Volkova

L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry; Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering

Researcher, Department of Physics and Engineering of High Pressure and Advanced Technologies, Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering; Engineer, Department of Supramolecular Chemistry, L.M. Litvinenko Institute of Physical Organic and Coal Chemistry

参考

  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.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».