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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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).

Full Text

Restricted Access

About the authors

Надежда Михайловна Микова

ФИЦ «КНЦ СО РАН»

Author for correspondence.
Email: nm@icct.ru
ORCID iD: 0000-0003-3360-9093

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

Russian Federation, 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

Russian Federation, 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

Russian Federation, 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

Russian Federation, 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/24

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. N2 adsorption–desorption isotherms at –196°C (a) and pore size distribution (b) for carbon composite samples. 1 — KL-400/C-20, 2 — KL-400/C-10, 3 — KL-600/C-20, 4 — KL-800/C-20. Sample designations: biochars from larch bark carbonized at a certain temperature (400, 600, 800°C); C — amount of introduced cellulose (10 and 20 wt%).

Download (146KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Scanning electron microscopy images of carbon composite samples containing 20 wt% cellulose on larch bark biochar carbonized at temperatures (°C): a — 400, b — 600, c — 800.

Download (229KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Maps of element distribution over the surface of a carbon composite sample containing 20 wt% cellulose on larch bark biochar carbonized at 800°C.

Download (442KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Diffraction patterns of carbon samples: a — larch bark biochar carbonized at 800°C (KL-800); b — KL-800 biochar composite containing 20 wt% cellulose. Designation of identified phases: 1 — calcite (CaCO3), 2 — hematite (Fe2O3), 3 — natrite (Na2CO3), 4 — trona [Na3H(CO3)2 2H2O], 5 — natron (Na2CO3 10H2O).

Download (165KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dynamics of methylene blue adsorption on samples of carbon composites prepared on the basis of larch bark biochars carbonized at different temperatures, containing cellulose in the amount of 10 (1, 3, 5) and 20 wt% (2, 4, 6). Carbonization temperature (°C): 1, 2 — 400; 3, 4 — 600; 5, 6 — 800.

Download (65KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Scanning electron microscopy image of a carbon composite sample containing 10 wt% cellulose on biochar from larch bark carbonized at 600°C (a), and pore size distribution curve (b). The oval indicates the area of surface damage.

Download (125KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences