ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
В рамках расширения сырьевой базы материалов, используемых при разработке технологичных и производительных методов синтеза углеродных наноструктур (УНС), и решения проблемы экологически безопасного и экономичного рециклинга полимеров изложены результаты исследований микроволнового (МВ) каталитического пиролиза высокомолекулярных соединений из ряда полистирол, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливиниловый спирт. Кратко рассмотрена информация о существующих подходах к решению данных задач, показана перспективность МВ переработки полимеров. Процесс осуществлялся микроволновой обработкой смеси полимерного сырья, выступающего в качестве донора углерода, и веществ-прекурсоров металлических катализаторов – соединений кобальта и никеля, их смесей, а также металлических железа и никеля. В роли регулятора температуры использовались графит и углеродное волокно. Эксперименты продемонстрировали, что эффективная конверсия изученных соединений происходит только в присутствии поглотителей-преобразователей МВ энергии, независимо от характера предшественника металлического катализатора. Образующиеся материалы, согласно данным электронной микроскопии, представляют собой смесь углеродных наноструктур разупорядоченной морфологии с преобладающим содержанием в продуктах реакции при экспериментах с полистиролом и полиэтилентерефталатом углеродных нанотрубок (УНТ). Использование полипропилена и поливинилового спирта приводит к получению углеродных наноструктур, содержащих лишь небольшое количество УНТ. Данные рентгенофазового анализа подтверждают образование многостенных углеродных нанотрубок в качестве основного структурного компонента полученных углеродных наноматериалов. Высказано предположение о близости путей преобразования исследованных углеводородов, несмотря на различие в температурах пиролиза, что может быть связано с одновременным протеканием процессов крекинга полимеров, карбонизации продуктов разложения и синтеза УНС из-за быстрого роста температуры реакционной массы при микроволновой обработке. Обоснована эффективность применения различных предшественников каталитических систем на основе переходных металлов в изученных процессах. Показано, что высокое содержание углерода в исходном сырье способствует образованию углеродных наноструктур, однако не является определяющим для получения углеродных нанотрубок.
Для цитирования:
Заритовский А.Н., Котенко Е.Н., Грищук С.В. Получение углеродных наноструктур из полимерных материалов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 5. С. 99-106. DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6957.
Литература
Williams P.T. Hydrogen and Carbon Nanotubes from Pyrolysis-Catalysis of Waste Plastics: A Review. Waste Bi-omass Valorization. 2021. V. 12. N 1. P. 1-28. DOI: 10.1007/s12649-020-01054-w.
Ren S., Xu X., Hu K., Tian W., Duan X., Yi J., Wang S. Structure-oriented conversions of plastics to carbon nano-materials. Carbon Res. 2022. V. 1. N 1. Art. 15. DOI: 10.1007/ s44246-022-00016-2.
Kovaleva N.Yu., Raevskaya E.G., Roshchin A.V. Plastic waste pyrolysis – a review. Khim. Bezopasnost. 2020. V. 4. N 1. P. 48-79 (in Russian). DOI: 10.25514/CHS.2020.1.17004.
Gong J., Chen X., Tang T. Recent progress in controlled carbonization of (waste) polymers. Prog. Polym. Sci. 2019. V. 94. P. 1-32. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.04.001.
Wong S.L., Ngadi N., Abdullah T.A.T., Inuwa I.M. Cur-rent state and future prospects of plastic waste as source of fuel: A review. Renew. Sust. En. Rev. 2015. V. 50. P. 1167-1180. DOI: 10.1016/j.rser.2015.04.063.
Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A., Karimov E.H., Egorov M.P., Movsumzade E.M., Evstigneev E.I., Vasiliev A.V., Sevastyanova M.V., Voloshin A.I., Nifantyev N.E., Nosov V.V., Dokichev V.A., Babaev E.R., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Fakhreeva A.V., Baulin O.A., Kolchina G.Yu., Voronov M.S., Staroverov D.V., Kozlovsky I.A., Kozlovsky R.A., Tarasova N.P., Zanin A.A., Krivoborodov E.G., Karimov O.Kh., Flid V.R., Loginova M.E. Renewable natural raw materials. Structure, properties, application prospects. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 9. P. 5-122 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.
Arshad H., Sulaiman S.A., Hussain Z., Naz Y., Basrawi F. Microwave assisted pyrolysis of plastic waste for pro-duction of fuels: a review. Proceed. UTP-UMP SES 2017. MATEC Web Conf. 2017. V. 131. Art. 02005. DOI: 10.1051/matecconf/201713102005.
Frediani P., Frediani M. Mixed or Contaminated Waste Plastic Recycling through Microwave - Assisted Pyrolysis. In: Recent Perspectives in Pyrolysis Research. Ed. by M. Bartoli, M. Giorcelli. IntechOpen. 2021. Chap. 18. 23 p. DOI: 10.5772/intechopen.100179.
Jiang H., Liu W., Zhang X., Qiao J. Chemical Recycling of Plastics by Microwave-Assisted High-Temperature Py-rolysis. Global Challenges. 2020. V. 4. N 4. Art. 1900074. DOI: 10.1002/gch2.201900074.
Aishwarya K.N., Sindhu N. Microwave Assisted Pyrolysis of Plastic Waste. Procedia Technol. 2016. V. 25. P. 990-997. DOI: 10.1016/j.protcy.2016.08.197.
Russell A.D., Antreou E.I., Lam S.S., Ludlow-Palafox C., Chase H.A. Microwave-assisted pyrolysis of HDPE using an activated carbon bed. RSC Adv. 2012. V. 2. N 17. P. 6756-6760. DOI: 10.1039/c2ra20859h.
Mohan B.R., Bhalla C. Studies on Microwave Pyrolysis of Polypropylene. IJERT. 2016. V. 5. N 11. P. 108-116. DOI: 10.17577/IJERTV5IS110096.
Rex P., Masilamani I.P., Miranda L.R. Microwave pyrolysis of polystyrene and polypropylene mixtures using different activated carbon from biomass. J. Energy Inst. 2020. V. 93. N 5. P. 1819-1832. DOI: 10.1016/j.joei.2020.03.013.
Zeynalov E.B., Agaguseynova M.M., Salmanova N.I. Effect of nanocarbon additives on stability of polymer composites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 11. P. 4-12. DOI: 10.6060/ ivkkt.20206311.6213.
Zhou N., Dai L., Lv Y., Li H., Deng W., Guo F., Chen P., Lei H., Ruan R. Catalytic pyrolysis of plastic wastes in a continuous microwave assisted pyrolysis system for fuel production. Chem. Eng. J. 2021. V. 418. Art. 129412. DOI: 10.1016 /j.cej.2021.129412.
Estahbanati M.R.K., Kong X.Y., Eslami A., Soo H.S. Current Developments in the Chemical Upcycling of Waste Plastics Using Alternative Energy Sources. ChemSusChem. 2021. V. 14. N 19. P. 4152-4166. DOI: 10.1002/cssc.202100874.
Undri A., Rosi L., Frediani M., Frediani P. Microwave pyrolysis of polymeric materials. In: Microwave Heating. Ed. by U. Chandra. InTech. 2011. Chap. 10. P. 207-232. DOI: 10.5772/24008.
Motasemi F., Afzal M.T. A review on the microwave-assisted pyrolysis technique. Renew. Sustain. En. Rev. 2013. V. 28. P. 317-330. DOI: 10.1016/j.rser.2013.08.008.
Fernandez Y., Arenillas A., Menendez J.A. Microwave Heating Applied to Pyrolysis. In: Advances in Induction and Microwave Heating of Mineral and Organic Materials. Ed. by S. Grundas. Part 1. Chap. 31. InTech. 2011. P. 723-752. DOI: 10.5772/13548.
Jie X., Li W., Slocombe D., Gao Y., Banerjee I., Gonza-lez-Cortes S., Yao B., AlMegren H., Alshihri S., Dilworth J., Thomas J., Xiao T., Edwards P. Microwave-initiated Catalytic Deconstruction of Plastic Waste into Hydrogen and High-Value Carbons. Nat. Catal. 2020. V. 3. P. 902-912. DOI: 10.1038/s41929-020-00518-5.
Lopez G., Santamaria L. Microwaving plastic into hydrogen and carbons. Nat. Catal. 2020. V. 3. P. 861-862. DOI: 10.1038/s41929-020-00538-1.
Kure N., Daniel I.H., Machu B.U., Bello I.A., Asnawi M. Сomparative study on the syntheses of carbon nano-materials using polyethylene and risk husk as carbon precursor. FUDMA J. Sci. (FJS). 2020. V. 4. N 3. P. 731-734. DOI: 10.33003/fjs-2020-0403-315.
Kure N., Hamidon M.N., Azhari S., Mamat N.S., Yusoff H.M., Isa B.M., Yunusa Z. Simple Microwave-Assisted Synthesis of Carbon Nanotubes Using Polyethylene as Carbon Precursor. J. Nanomater. 2017. V. 2017. Art. ID 2474267. DOI: 10.1155/2017/2474267.
Takagi Y., Tauchi L., Nguyen-Tran H.-D., Ohta T., Shimizu M., Ohta K. Development of a novel method to synthesize carbon nanotubes from granulated polystyrene and nickel nanoparticles by microwave heating. J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 14569-14574. DOI: 10.1039/c1jm12069g.
Ohta T., Ito T., Shimizu M., Tauchi L., Nguyen-Tran H.-D., Park J.-C., Kim B.-S., Kim I.-S., Ohta K. Development of novel synthetic method of carbon nanotubes from electrospun polystyrene fibers by using microwave heat-ing. Polym. Adv. Technol. 2011. V. 22. P. 2653-2658. DOI: 10.1002/pat.1723.
Zakaria N.Z.J., Rozali S., Mubarak N. M., Ibrahim S. A review of the recent trend in the synthesis of carbon na-nomaterials derived from oil palm by-product materials. Biomass Convers. Biorefin. 2022. P. 1-31. DOI: 10.1007/s13399-022-02430-3.
Kumar R., Singh R.K., Singh D.P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: Graphene and CNTs. Renew. Sust. En. Rev. 2016. V. 58. P. 976-1006. DOI: 10.1016/j.rser.2015.12.120.
Deng J., You Y., Sahajwalla V., Joshi R.K. Transforming waste into carbon-based nanomaterials. Carbon. 2016. V. 96. P. 105-115. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.09.033.
Mubarik S., Qureshi N., Sattar Z., Shaheen A., Kalsoom A., Imran M., Hanif F. Synthetic Approach to Rice Waste-Derived Carbon-Based Nanomaterials and Their Applications. Nanomanufacturing. 2021. V. 1. N 3. P. 109-159. DOI: 10.3390/nanomanufacturing1030010.
Yoon D.-M., Yoon B.-J., Lee K.-H., Kim H.S., Park C.G. Synthesis of carbon nanotubes from solid carbon sources by direct microwave irradiation. Carbon. 2006. V. 44. N 7. P. 1339–1343. DOI: 10.1016/j.carbon.2005.12.008.
Ethaib S., Omar R., Kamal S.M.M., Biak D.R.A., Zubaidi S.L. Microwave-Assisted Pyrolysis of Biomass Waste: A Mini Review. Processes. 2020. V. 8. N 9. Art. 1190. DOI: 10.3390/pr8091190.
Omoriyekomwan J.E., Tahmasebi A., Zhang J., Yu J. Formation of hollow carbon nanofibers on bio-char during microwave pyrolysis of palm kernel shell. Energy Convers. Manage. 2017. V. 148. P. 583-592. DOI: 10.1016/j.enconman. 2017.06.022.
Das R., Abd Hamid S.B., Ali M.E., Ramakrishna S., Wu Y. Carbon Nanotubes Characterization by X-ray Powder Diffraction – A Review. Curr. Nanosci. 2015. V. 11. N 1. P. 23-35. DOI: 10.2174/1573413710666140818210043.
Gurin V.А., Gabelkov S.V., Poltavtsev N.S., Gurin I.V., Phursov S.G. Crystal structure of pyrographite and catalytically deposited carbon. Vopr. Atom. Nauki Tekh. Fizika Radiats. Povrezhd. Radiats. Materialoved. 2006. V. 89. N 4. P. 195-199 (in Russian).
Futaba Don N., Yamada T., Kobashi K., Yumura M., Hata K. Macroscopic Wall Number Analysis of Single-Walled, Double-Walled, and Few-Walled Carbon Nano-tubes by X-ray Diffraction. JACS. 2011. V. 133. N 15. P. 5716-5719. DOI: 10.1021/ja2005994.
