Синтез и свойства пористых углерод-углеродных композитных материалов на основе биоуглей из коры лиственницы и целлюлозы древесины ели

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложен метод получения пористых углерод-углеродных композитных материалов, основанный на пиролизе при 800°С биоугля из коры лиственницы, пропитанного щелочными растворами целлюлозы из древесины ели. Установлено влияние температуры получения биоугля (400, 600 и 800°С) и содержания растворенной целлюлозы (10 и 20 мас%) на морфологию, пористые характеристики и адсорбционные свойства полученных углерод-углеродных композитов. Наиболее высокую удельную поверхность (568 м2·г–1) и развитую микро-/мезопористую структуру имеет композит, полученный пиролизом образца биоугля из карбонизованной при 400°С коры, пропитанного 20%-ным раствором целлюлозы. По данным метода сканирующей электронной микроскопии, этот композит содержит углеродные волокна, распределенные как по поверхности биоугля, так и в его порах. При использовании биоуглей, полученных при температурах 600 и 800°С, происходит формирование из целлюлозного компонента малопористой углеродной пленки, что снижает удельную поверхность полученного композита. Удельная поверхность углеродных образцов из биоуглей, полученных при 600 и 800°С, с содержанием целлюлозы 20 мас% после пиролиза снижается соответственно до 108 и 54 м2·г–1. Более существенное снижение удельной поверхности до значений 57 и 15 м2·г–1 соответственно наблюдается для этих биоуглей, содержащих 10 мас% целлюлозы. Элементный состав поверхности углеродных композитов и фазовый состав минеральных включений охарактеризованы методами рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного анализа. Углерод-углеродные композиты способны адсорбировать краситель метиленовый синий, причем лучшую сорбционную активность проявляет образец на основе биоугля из карбонизованной при 400°С коры, пропитанный 20 мас% раствора целлюлозы (80.6 мг·г–1).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Надежда Михайловна Микова

ФИЦ «КНЦ СО РАН»

Автор, ответственный за переписку.
Email: nm@icct.ru
ORCID iD: 0000-0003-3360-9093

к.х.н., с.н.с., Институт химии и химической технологии СО РАН

Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/24

Анатолий Михайлович Жижаев

ФИЦ «КНЦ СО РАН»

Email: nm@icct.ru
ORCID iD: 0000-0002-1447-4050

к.т.н., в.н.с., Институт химии и химической технологии СО РАН

Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/24

Иван Петрович Иванов

ФИЦ «КНЦ СО РАН»

Email: nm@icct.ru
ORCID iD: 0000-0001-6241-3474

к.т.н., с.н.с., Институт химии и химической технологии СО РАН

Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/24

Борис Николаевич Кузнецов

ФИЦ «КНЦ СО РАН»

Email: nm@icct.ru
ORCID iD: 0000-0001-6309-6482

д.х.н., руководитель научного направления, г.н.с., Институт химии и химической технологии СО РАН, профессор Сибирского федерального университета

Россия, 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/24

Список литературы

  1. Feng Y., Hao H., Lu H., Chow C. L., Lau D. Exploring the development and applications of sustainable natural fiber composites: A review from a nanoscale perspective // Compos. B. Eng. 2024. V. 276. ID 111369. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111369
  2. Koumoulos E. P, Trompeta A.-F., Santos R.-M., Martins M., dos Santos C. M., Iglesias V., Böhm R., Gong G., Chiminelli A., Verpoest I., Kiekens P., Charitidis C. A. Research and development in carbon fibers and advanced high-performance composites supply chain in Europe: A roadmap for challenges and the industrial uptake // J. Compos. Sci. 2019. V. 3 (3). ID 86. https://doi.org/10.3390/jcs3030086
  3. Ferreira E. S., Lanzoni E. M., Costa C. A. R., Deneke Ch., Bernardes J. S., Galembeck F. Adhesive and reinforcing properties of soluble cellulose: A repulpable adhesive for wet and dry cellulosic substrates // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. V. 7 (33). P. 18750‒18758. http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5b05310
  4. Hubbe M. A., Rojas O. J., Lucia L. A., Sain M. Cellulosic nanocomposites: A review // Bioresources. 2008. V. 3. P. 929–980. https://doi.org/10.1425/jcprm.1402035
  5. Zhou S., Zhou L., Li Y., Xie F., Li H., Yang H., Li W., Snyders R. Preparation of cellulose-graphene oxide aerogels with N-methyl morpholine-N-oxide as a solvent // J. Appl. Polym. Sci. 2018. V. 135 (15). ID 46152. https://doi.org/10.1002/app.46152
  6. Dong Y., Zhang H., Zhong G., Yao G., Lai B. Cellulose/carbon composites and their applications in water treatment — a review // Chem. Eng. J. 2021. V. 405. ID 126980. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126980
  7. Bai Q., Xiong Q., Li C., Shen Y.,Uyama H. Hierarchical porous cellulose/activated carbon composite monolith for efficient adsorption of dyes // Cellulose. 2017. V. 24. P. 4275–4289. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1410-y
  8. Xie Y., Wang L., Li H., Westholm L. J., Carvalho L., Thorin E., Yu Z., Yu X., Skreiberg Ø. A critical review on production, modification and utilization of biochar // J. Anal. Appl. Pyrol. 2022. V.161. ID 105405. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105405
  9. Li X., Zhang J., Liu B., Su Z. A critical review on the application and recent developments of post-modified biochar in supercapacitors // J. Clean. Prod. 2021. V. 310. ID 127428. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127428
  10. Boguta P., Sokołowska Z., Skic K., Tomczyk A. Chemically engineered biochar — Effect of concentration and type of modifier on sorption and structural properties of biochar from wood waste. // Fuel. 2019. V.256. ID 115893. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.115893
  11. Yang X., Zhang S., Ju M., Liu L. Preparation and modification of biochar materials and their application in soil remediation // Appl. Sci. 2019. V. 9. ID 1365. https://doi.org/10.3390/app9071365
  12. Левданский В. А., Левданский А. В., Кузнецов Б. Н. Экологически безопасный способ получения из древесины ели целлюлозного продукта с высоким содержанием альфа-целлюлозы // Химия раст. сырья. 2014. № 3. С. 35–40. https://doi.org/10.15376/biores.3.3.929-980
  13. Yan L., Gao Z. Dissolving of cellulose in PEG/NaOH aqueous solution // Cellulose. 2008. V. 15 (6). P. 789–796. https://doi.org/10.1007/s10570-008-9233-5
  14. Tekin K., Karagöz S., Bektaş S. A review of hydrothermal biomass processing // Renew Sustain Energy Rev. 2014. V.40. P. 673–687. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.216
  15. Fetisova O. Y., Mikova N. M., Chudina A. I., Kazachenko A. S. Kinetic study of pyrolysis of coniferous bark wood and modified fir bark wood // Fire. 2023. V. 6. P. 59–72. https://doi.org/10.3390/fire6020059
  16. Scherdel C., Reichenauer G., Wiener M. Relationship between pore volumes and surface areas derived from the evaluation of N2-sorption data by DR-, BET- and t-plot // Micropor. Mesopor. Mater. 2010. V. 132 (3). Р. 572–575. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2010.03.034
  17. Coleman N., Hench L. A gel-derived mesoporous silica reference material for surface analysis by gas sorption 1. Textural features // Ceram. Int. 2000. V. 26. P. 171–178. https://link.springer.com/article/10.1007/s10570
  18. Wang W., Liang T., Bai H., Dong W., Liu X. All cellulose composites based on cellulose diacetate and nanofibrillated cellulose prepared by alkali treatment // Carbohydrate Polym. 2018. V. 179. P. 297–304. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.09.098
  19. Микова Н. М., Иванов И. П., Жижаев А. М., Фетисова О. Ю., Кузнецов Б. Н. Синтез и свойства органических гелей на основе таннинов коры лиственницы и целлюлозы древесины сосны // Журн. Сиб. федер. ун-та. Химия. 2022. Т. 15. № 4. С. 590–600. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0321
  20. Tu F., Zharg G., Wei G., Li Y., Deng L., Yuan H. Influence of pyrolysis temperature on the physicochemical properties of biochars obtained from herbaceous woody plants // Bioresour. Bioprocess. 2022. V. 9. ID 131. http://dx.doi.org/10.1186/s40643-022-00618-z
  21. Микова Н. М., Иванов И. П., Фетисова О. Ю., Кузнецов Б. Н. Изучение термохимических превращений луба коры березы, строения и свойств полученных пористых углеродных материалов // ЖПХ. 2020. Т. 93. № 9. С. 1301–1310. https://doi.org/10.31857/S0044461820090066 [Mikova N. M., Ivanov I. P., Fetisova O. Yu., Kuznetsov B. N. Study of thermochemical transformations of bast of birch bark, structure and properties of the produced porous carbon materials // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 9. P. 1152–1159. http://dx.doi.org/10.1134/S1070427220090062].
  22. Freitas J. C. C., Schettino M. A. Jr., Cunha A. G., Emmerich F. G., Bloise A. C., de Azevedo E. R., Bonagamba T. J. NMR investigation on the occurrence of Na species in porous carbons prepared by NaOH activation // Carbon. 2007. V. 45. P. 1097–1104. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.12.006
  23. He X., Male K. B., Nesterenko P. N., Brabazon D., Paull B., Luong J. H. Adsorption and desorption of methylene blue on porous carbon monoliths and nanocrystalline cellulose // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. P. 796–880. https://doi.org/10.1021/am403222u
  24. Qi H., Cai J., Zhang L., Kuga S. Properties of films composed of cellulose nanowhiskers and a cellulose matrix regenerated from alkali/urea solution // Biomacromolecules. 2009. V. 10. P. 1597–1602. http://dx.doi.org/10.1021/bm9001975

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изотермы адсорбции–десорбции N2 при –196°С (а) и распределение пор по размерам (б) для образцов углеродных композитов. 1 — КЛ-400/Ц-20, 2 — КЛ-400/Ц-10, 3 — КЛ-600/Ц-20, 4 — КЛ-800/Ц-20. Обозначения образцов: биоугли из карбонизованной при определенной температуре (400, 600, 800°С) коры лиственницы (КЛ); Ц — количество введенной целлюлозы (10 и 20 мас%).

Скачать (146KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, образцов углеродных композитных материалов, содержащих 20 мас% целлюлозы на биоуглях из коры лиственницы, карбонизованной при температурах (°С): а — 400, б — 600, в — 800.

Скачать (229KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Карты распределения элементов по поверхности образца углеродного композита, содержащего 20 мас% целлюлозы на биоугле из карбонизованной при 800°С коры лиственницы.

Скачать (442KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Дифрактограммы углеродных образцов: а — биоугля из коры лиственницы, карбонизованной при температуре 800°С (КЛ-800); б — композита из биоугля КЛ-800, содержащего 20 мас% целлюлозы. Обозначение идентифицированных фаз: 1 — кальцит (CaCO3), 2 — гематит (Fe2O3), 3 — натрит (Na2CO3), 4 — трона [Na3H(CO3)2·2H2O], 5 — натрон (Na2CO3·10H2O).

Скачать (165KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Динамика адсорбции метиленового синего на образцах углеродных композитов, приготовленных на основе биоуглей из коры лиственницы, карбонизованной при разных температурах, содержащих целлюлозу в количестве 10 (1, 3, 5) и 20 мас% (2, 4, 6). Температура карбонизации (°С): 1, 2 — 400; 3, 4 — 600; 5, 6 — 800.

Скачать (65KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изображение, полученное методом сканирующей электронной микроскопии образца углеродного композита, содержащего 10 мас% целлюлозы на биоугле из карбонизованной при 600°С коры лиственницы (а), и кривая распределения пор по размерам (б). Овалом обозначена область повреждений поверхности.

Скачать (125KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025