НОСИТЕЛИ И КАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ГЕЛЕЙ (ОБЗОР):

Борис Николаевич Кузнецов; Татьяна Григорьевна Овчинникова; Оксана Павловна Таран

doi:10.14258/jcprm.20260118320

Борис Николаевич Кузнецов Институт химии и химической технологии СО РАН, Сибирский федеральный университет Email: inm@icct.ru
Татьяна Григорьевна Овчинникова Институт химии и химической технологии СО РАН Email: ovchinnikova.tg@icct.krasn.ru
Оксана Павловна Таран Институт химии и химической технологии СО РАН, Сибирский федеральный университет Email: taran.op@icct.krasn.ru

https://doi.org/10.14258/jcprm.20260118320

Ключевые слова: углеродные гели, синтез, строение, свойства, прекурсоры, таннины, лигнины, металлсодержащие катализаторы

Аннотация

Большинство процессов конверсии биомассы осуществляется в водных и водно-органических средах, что требует использования толерантных к воде катализаторов. К ним относятся углеродные катализаторы, в частности, на основе биоуглей, которые имеют такие недостатки, как наличие примесей, низкая прочность, неоднородная пористая структура. Эти недостатки отсутствуют у новых материалов на основе пористых углеродных гелей с регулируемой структурой.

В настоящем обзоре рассмотрены свойства углеродных гелей, полученных с использованием синтетических и природных фенольных соединений, а также твердых кислотных и металлсодержащих катализаторов на их основе. Использование лигнина древесины и таннинов древесной коры позволяет снизить себестоимость получаемых гелей и повысить экологическую безопасность их производства.

Для введения металлов в углеродный каркас используются методы нанесения соединения металла на органический или углеродный гель; растворения соединения металла в смеси, используемой для синтеза органического геля; добавления в исходную смесь или органический гель добавок, связывающих ионы металла. Металлсодержащие углеродные гели все шире применяются в качестве катализаторов разнообразных каталитических реакций. Можно ожидать, что такие катализаторы будут востребованы во многих процессах переработки биомассы в востребованные продукты.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Биографии авторов

Борис Николаевич Кузнецов, Институт химии и химической технологии СО РАН, Сибирский федеральный университет

доктор химических наук, профессор, руководитель научного направления кафедры органической и аналитической химии

Татьяна Григорьевна Овчинникова, Институт химии и химической технологии СО РАН

младший научный сотрудник лаборатории химии природного органического сырья

Оксана Павловна Таран, Институт химии и химической технологии СО РАН, Сибирский федеральный университет

доктор химических наук, профессор, заведующая лабораторией каталитических превращений возобновляемых ресурсов, заведующая кафедрой органической и аналитической химии

Литература

Lam E., Luong J.H. ACS catalysis, 2014, vol. 4, no. 10, pp. 3393–3410. https://doi.org/10.1021/cs5008393.

Al-Muhtaseb S.A., Ritter J.A. Advanced materials, 2003, vol. 15, no. 2, pp. 101–114. https://doi.org/10.1002/adma.200390020.

Biener J., Stadermann M., Suss M., Worsley M.A., Biener M.M., Rose K.A., Baumann T.F. Energy & Environmental Science, 2011, vol. 4, no. 3, pp. 656–667. https://doi.org/10.1039/C0EE00627K.

ElKhatat A.M., Al-Muhtaseb S.A. Advanced materials, 2011, vol. 23, no. 26, pp. 2887–2903. https://doi.org/10.1002/adma.201100283.

Li F., Xie L., Sun G., Kong Q., Su F., Cao Y., Wei J., Ahmad A., Guo X., Chen C.-M. Microporous and Mesoporous Materials, 2019, vol. 279, pp. 293–315. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.12.007.

Moreno-Castilla C., Maldonado-Hódar F. Carbon, 2005, vol. 43, no. 3, pp. 455–465. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.10.022.

Moreno-Castilla C. Carbon materials for catalysis, 2008, pp. 373–399.

Gan G., Li X., Fan S., Wang L., Qin M., Yin Z., Chen G. European journal of inorganic chemistry, 2019, vol. 2019, no. 27, pp. 3126–3141. https://doi.org/10.1002/ejic.201801512.

Sam D.K., Sam E.K., Durairaj A., Lv X., Zhou Z., Liu J. Carbohydrate research, 2020, vol. 491, 107986. https://doi.org/10.1016/j.carres.2020.107986.

Long L.-Y., Weng Y.-X., Wang Y.-Z. Polymers, 2018, vol. 10, no. 6, 623. https://doi.org/10.3390/polym10060623.

Kuznetsov B.N., Vasilyeva N.Y., Mikova N.M., Zhizhaev A.M. Journal of Siberian Federal University. Chemistry, 2022, vol. 15, no. 1, pp. 57–68. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0271.

Zhang T., Yuan D., Guo Q., Qiu F., Yang D., Ou Z. Food and Bioproducts Processing, 2019, vol. 114, pp. 154–162. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.12.007.

Peng H., Wu J., Wang Y., Wang H., Liu Z., Shi Y., Guo X. Applied Physics A, 2016, vol. 122, no. 5, 516. https://doi.org/10.1007/s00339-016-0049-0.

Grishechko L., Amaral-Labat G., Szczurek A., Fierro V., Kuznetsov B., Pizzi A., Celzard A. Industrial Crops and Products, 2013, vol. 41, pp. 347–355. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.04.052.

Mikova N., Skvortsova G., Ivanov I., Levdanskiy V., Kuznetsov B. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Khimiya, 2017, vol. 10, no. 3, pp. 368–380. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0033. (in Russ.).

Yang B.S., Kang K.-Y., Jeong M.-J. Journal of the Korean Physical Society, 2017, vol. 71, no. 8, pp. 478–482. https://doi.org/10.3938/jkps.71.478.

Xu J., Zhou X., Chen M., Shi S., Cao Y. Microporous and Mesoporous Materials, 2018, vol. 265, pp. 258–265. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.02.024.

Szczurek A., Amaral-Labat G., Fierro V., Pizzi A., Celzard A. Carbon, 2011, vol. 49, no. 8, pp. 2785–2794. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.03.005.

Mikova N., Levdanskiy V., Skwortsova G., Zhizhaev А., Lutoshkin M., Chesnokov N., Kuznetsov B. Biomass Con-version and Biorefinery, 2021, vol. 11, no. 5, pp. 1565–1573. https://doi.org/10.1007/s13399-019-00561-8.

Amaral-Labat G., Grishechko L., Fierro V., Kuznetsov B., Pizzi A., Celzard A. Biomass and bioenergy, 2013, vol. 56, pp. 437–445. https://doi.org/10.1016/J.BIOMBIOE.2013.06.001.

Szczurek A., Amaral-Labat G., Fierro V., Pizzi A., Celzard A. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2013, vol. 416, 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/416/1/012022.

Yue X., Zhang T., Yang D., Qiu F., Li Z. Journal of Cleaner Production, 2018, vol. 199, pp. 411–419. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.07.181.

Jing Z., Ding J., Zhang T., Yang D., Qiu F., Chen Q., Xu J. Food and Bioproducts Processing, 2019, vol. 115, pp. 134–142. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2019.03.010.

Vazhayal L., Wilson P., Prabhakaran K. Chemical Engineering Journal, 2020, vol. 381, 122628. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122628.

Scherdel C., Reichenauer G. Microporous and Mesoporous Materials, 2009, vol. 126, no. 1-2, pp. 133–142. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2009.05.033.

Wu D., Fu R., Sun Z., Yu Z. Journal of Non-Crystalline Solids, 2005, vol. 351, no. 10-11, pp. 915–921. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.02.008.

Grishechko L.I., Amaral-Labat G.I., Szczurek A., Fierro V., Kuznetsov B.N., Celzard A. Microporous and Mesopo-rous Materials, 2013, vol. 168, pp. 19–29. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.09.024.

Salinas-Torres D., Léonard A.F., Stergiopoulos V., Busby Y., Pireaux J.-J., Job N. Microporous and Mesoporous Materials, 2018, vol. 256, pp. 190–198. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.08.004.

Zhu Y., Hu H., Li W.-C., Zhang X. Journal of Power Sources, 2006, vol. 162, no. 1, pp. 738–742. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.06.049.

Job N., Théry A., Pirard R., Marien J., Kocon L., Rouzaud J.-N., Béguin F., Pirard J.-P. Carbon, 2005, vol. 43, no. 12, pp. 2481–2494. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.04.031.

Liu N., Zhang S., Fu R., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Carbon, 2006, vol. 44, no. 12, pp. 2430–2436. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.04.032.

Yamamoto T., Nishimura T., Suzuki T., Tamon H. Journal of Non-Crystalline Solids, 2001, vol. 288, no. 1-3, pp. 46–55. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00619-6.

Zainol M.M., Amin N.A.S., Asmadi M. Bioresource technology, 2015, vol. 190, pp. 44–50. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.04.067.

Robertson C., Mokaya R. Microporous and mesoporous materials, 2013, vol. 179, pp. 151–156. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2013.05.025.

Hanzawa Y., Hatori H., Yoshizawa N., Yamada Y. Carbon, 2002, vol. 40, no. 4, pp. 575–581. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(01)00150-6.

Zubizarreta L., Arenillas A., Pirard J.-P., Pis J.J., Job N. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, vol. 115, no. 3, pp. 480–490. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.02.023.

Yu M., Li J., Wang L. Chemical engineering journal, 2017, vol. 310, pp. 300–306. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.10.121.

Aegerter M.A., Leventis N., Koebel M. Aerogels Handbook. New York, 2011.

Rey-Raap N., Szczurek A., Fierro V., Celzard A., Menéndez J.A., Arenillas A. Industrial Crops and Products, 2016, vol. 82, pp. 100–106. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.12.001.

Pizzi A. Journal of Renewable Materials, 2019, vol. 7, no. 5, pp. 474–489. https://doi.org/10.32604/jrm.2019.06511.

Grishechko L., Amaral-Labat G., Fierro V., Szczurek A., Kuznetsov B., Celzard A. RSC Advances, 2016, vol. 6, no. 70, pp. 65698–65708. https://doi.org/10.1039/C6RA09462G.

Braghiroli F., Fierro V., Izquierdo M., Parmentier J., Pizzi A., Celzard A. Carbon, 2012, vol. 50, no. 15, pp. 5411–5420. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.07.027.

Mikova N.M., Ivanov I.P., Zhizhayev A.M., Kuznetsov B.N. Khimiya rastitel'nogo syr'ya, 2025, no. 3, pp. 101–113. https://doi.org/10.14258/jcprm.20250316854. (in Russ.).

Mikova N., Ivanov I., Fetisova O.Y., Kazachenko A., Kuznetsov B. Bioresource Technology Reports, 2023, vol. 22, 101454. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2023.101454.

Mikova N., Ivanov I., Zhizhayev A., Tsyganova S., Kuznetsov B. Zhurnal prikladnoy khimii, 2022, vol. 95, no. 3, p. 344. https://doi.org/10.31857/S0044461822030069. (in Russ.).

Mikova N., Zhizhayev A., Ivanov I., Lutoshkin M., Kuznetsov B. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Khimiya, 2020, vol. 13, no. 1, pp. 109–121. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0160. (in Russ.).

Mikova N., Ivanov I., Levdanskiy V., Kuznetsov B. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Khimiya, 2020, vol. 13, no. 2, pp. 175–188. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0173. (in Russ.).

Mikova N., Ivanov I., Zhizhayev A., Kuznetsova S., Kuznetsov B. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Khimiya, 2023, vol. 16, no. 1, pp. 96–106. (in Russ.).

Van Pelt A.H., Simakova O.A., Schimming S.M., Ewbank J.L., Foo G.S., Pidko E.A., Hensen E.J., Sievers C. Car-bon, 2014, vol. 77, pp. 143–154. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.015.

Okamura M., Takagaki A., Toda M., Kondo J.N., Domen K., Tatsumi T., Hara M., Hayashi S. Chemistry of Materials, 2006, vol. 18, no. 13, pp. 3039–3045. https://doi.org/10.1021/cm0605623.

Zhang W., Tao H., Zhang B., Ren J., Lu G., Wang Y. Carbon, 2011, vol. 49, no. 6, pp. 1811–1820. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.12.050.

Dora S., Bhaskar T., Singh R., Naik D.V., Adhikari D.K. Bioresource Technology, 2012, vol. 120, pp. 318–321. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.06.036.

Pang J., Wang A., Zheng M., Zhang T. Chemical Communications, 2010, vol. 46, no. 37, pp. 6935–6937. https://doi.org/10.1039/C0CC02014A.

Cotet L., Gich M., Roig A., Popescu I., Cosoveanu V., Molins E., Danciu V. Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, vol. 352, no. 26-27, pp. 2772–2777. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2006.03.039.

Ribeiro A.P.d.C., Martins L.M.D.R.d.S., Carabineiro S.A.C., Figueiredo J.L., Pombeiro A.J.L. Molecules, 2017, vol. 22, no. 4, 603. https://doi.org/10.3390/molecules22040603.

Morales-Torres S., Maldonado-Hódar F., Pérez-Cadenas A., Carrasco-Marín F. Journal of Hazardous Materials, 2010, vol. 183, no. 1-3, pp. 814–822. https://doi.org/10.3390/10.1016/j.jhazmat.2010.07.100.

Moreno-Castilla C., Maldonado-Hódar F., Pérez-Cadenas A. Langmuir, 2003, vol. 19, no. 14, pp. 5650–5655. https://doi.org/10.1021/la034536k.

Saquing C.D., Kang D., Aindow M., Erkey C. Microporous and Mesoporous Materials, 2005, vol. 80, no. 1-3, pp. 11–23. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2004.11.019.

Zhang Y., Kang D., Aindow M., Erkey C. The Journal of Physical Chemistry B, 2005, vol. 109, no. 7, pp. 2617–2624. https://doi.org/10.1021/jp0467595.

Zhang S., Fu R., Wu D., Xu W., Ye Q., Chen Z. Carbon, 2004, vol. 42, no. 15, pp. 3209–3216. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.08.004.

Jirglová H., Maldonado-Hódar F.J. Langmuir, 2010, vol. 26, no. 20, pp. 16103–16109. https://doi.org/10.1021/la102499h.

Maldonado-Hódar F.J., Jirglová H., Pérez-Cadenas A.F., Morales-Torres S. Carbon, 2013, vol. 51, pp. 213–223. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.08.046.

Zubiaur A., Job N. Applied Catalysis B: Environmental., 2018, vol. 225, pp. 364–378. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.11.059.

Lee J.-H., Park S.-J. Carbon, 2020, vol. 163, pp. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.02.073.

Yu S., Song S., Li R., Fang B. Nanoscale, 2020, vol. 12, no. 38, pp. 19536–19556. https://doi.org/10.1039/D0NR05050D.

Shaari N., Kamarudin S.K. International Journal of Energy Research, 2019, vol. 43, no. 7, pp. 2447–2467. https://doi.org/10.1002/er.4423.

Hou X., Zhao J., Liu J., Han Y., Pei Y., Ren J. New Journal of Chemistry, 2019, vol. 43, no. 24, pp. 9430–9438. https://doi.org/10.1039/C9NJ01434A.

Xiao X., Xu Y., Lv X., Xie J., Liu J., Yu C. Journal of colloid and interface science, 2019, vol. 545, pp. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.03.005.

Kim G.-P., Lee M., Lee Y.J., Bae S., Song H.D., Song I.K., Yi J. Electrochimica Acta, 2016, vol. 193, pp. 137–144. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.02.064.

Li C., Sun F., Lin Y. Journal of Power Sources, 2018, vol. 384, pp. 48–57. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.01.020.

Sarapuu A., Samolberg L., Kreek K., Koel M., Matisen L., Tammeveski K. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2015, vol. 746, pp. 9–17. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.03.021.

Sarapuu A., Kreek K., Kisand K., Kook M., Uibu M., Koel M., Tammeveski K. Electrochimica Acta, 2017, vol. 230, pp. 81–88. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.01.157.

Zhu L., Jiang H., Ran W., You L., Yao S., Shen X., Tu F. Applied Surface Science, 2019, vol. 489, pp. 154–164. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.05.333.

Hu H., Wei W., Jiang Z., Sun W., Lv X., Xie J. Journal of Molecular Liquids, 2019, vol. 292, 111476. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111476.

Wei W., Hu H., Huang Z., Jiang Z., Lv X., Xie J., Kong L. The Journal of Supercritical Fluids, 2019, vol. 147, pp. 33–41. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2019.02.012.

Yu M., Li J., Wang L. Journal of Porous Materials, 2016, vol. 23, no. 4, pp. 997–1003. https://doi.org/10.1007/s10934-016-0157-4.

Rasheed H.U., Lv X., Zhang S., Wei W., Xie J. Advanced Powder Technology, 2018, vol. 29, no. 12, pp. 3305–3314. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.09.011.

Shanmugam P., Murthy A.P., Theerthagiri J., Wei W., Madhavan J., Kim H.-S., Maiyalagan T., Xie J. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, no. 26, pp. 13334–13344. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.225.

Shanmugam P., Wei W., Qian K., Jiang Z., Lu J., Xie J. Materials Science and Engineering: B, 2019, vol. 248, 114387. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2019.114387.

Gómez-Cápiro O., Hinkle A., Delgado A.M., Fernández C., Jiménez R., Arteaga-Pérez L.E. Catalysts, 2018, vol. 8, no. 9, 347. https://doi.org/10.3390/catal8090347.

Moreno-Castilla C., Carrasco-Marín F., Dawidziuk M.B. Catalysts, 2012, vol. 2, no. 4, pp. 422–433. https://doi.org/10.3390/catal2040422.

Guo X., Zhang Q., Li Q., Yu H., Liu Y. Polymers, 2019, vol. 11, no. 1, 129. https://doi.org/10.3390/polym11010129.