Главная – Журналы – Поиск по журналам

Исследована морфология, пористая структура и электроемкостные характеристики высокопористых углеродных матриц (ВПУМ), полученных из каменноугольного сырья с различной степенью метаморфизма, и наноструктурированных композитов (НСК) на их основе, поверхность которых декорирована наноразмерными частицами (НРЧ) золота или оксида марганца, накапливающими при поляризации в электролите электрический заряд по двум механизмам (формирование двойного электрического слоя (ДЭС) и включение псевдоемкостной составляющей в ходе Red-Ox реакций на электродах). Образцы ВПУМ получали высокотемпературной (800 °С) щелочной активацией (массовое соотношение KOH/C = 2 : 1) ископаемых углей угольных бассейнов Кемеровской области и Республики Саха (Якутия): САК - на основе антрацита Кийзасского разреза (Кузбасс) с наиболее высокой степенью углефикации; СБК - на основе Богхеда (разновидность сапропелевых углей) Таймылырского месторождения (Якутия) с самой низкой степенью метаморфизма, СДК - на основе длиннопламенного угля (Кузбасс), занимающего промежуточное положение в ряду метаморфизма. Результаты сканирующей электронной микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния в сочетании с сорбометрией показали, что морфология НСК в значительной мере (за исключением субмикронных агрегатов) определяется пористой структурой матриц. Форма кривых циклической вольтамперометрии (ЦВА) для образцов ВПУМ СДК, СБК и наполненных Au-НРЧ НСК на их основе указывает на существенный вклад в емкость ДЭС; для композитного электрода MnO_x/СДК наблюдается вклад псевдоемкости. Особенности ЦВА-кривых микропористых ВПУМ САК и НСК на их основе, вероятно, вызваны диффузионными затруднениями. Удельная электрическая емкость выше при поляризации ВПУМ СДК и СБК с бóльшими долями мезопор, а также НСК на их основе, чем при поляризации микропористых ВПУМ САК и соответствующих композитов. Для всех трех ВПУМ введение наполнителей вызывает увеличение емкости электродов. Эффект более значителен для НСК, полученных из каменных углей с низкой степенью метаморфизма (увеличение до 1.8 и 1.6 раз относительно емкости исходных матриц для НСК на основе СДК и СБК соответственно, согласно данным электрохимической импедансной спектроскопии), и связан со снижением активного сопротивления ячеек, сопротивления переноса заряда и в целом активной составляющей импеданса.

Методами рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа, малоуглового рентгеновского рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения изучены и впервые сопоставлены морфология наночастиц, структурно-фазовые свойства и фазовые трансформации при нагревании “богатых” благородными металлами наноструктурированных систем CoPt и CoPd, полученных совместным восстановлением гидразин-гидратом смесей водных растворов прекурсоров. Полученные результаты представляют интерес при разработке основ материаловедения биметаллических наносплавов, а также относятся к ключевым в понимании процессов, приводящих к формированию при нагревании наносплавов FePt, CoPt и FePd интерметаллидов с высокоупорядоченной структурой L1₀, обладающих рекордными для биметаллов магнитными и магнитооптическими свойствами. ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящена разработке нового типа железосодержащего катализатора (Кт) на основе лигнина для процесса гидрирования монооксида углерода. Каталитические системы получали методом гидротермального синтеза и изучали комплексом физико-химических методов (ИК-Фурье спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, низкотемпературная адсорбция азота, элементный анализ, атомно-абсорбционный анализ, рентгенофазовый анализ, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия). Показано, что сформированные катализаторы представляют собой мелкозернистый непирофорный негигроскопичный порошок черного цвета. Установлено, что каталитические системы проявляют высокую активность в процессе гидрирования монооксида углерода: конверсия близка к 100 %, производительность по углеводородам С₅₊ достигает 131.6 г/(кг Кт•ч).

Изучено влияние температуры гидротермальной карбонизации (190-250 °С) гидролизного лигнина на свойства получаемых биоуглей. Биоугли исследованы комплексом физико-химических методов, проведен их элементный, технический и термический анализ. Показано, что повышение температуры гидротермальной обработки лигнина отрицательно влияет на выход биоугля, но позволяет получить термически более стабильный продукт, имеющий топливные характеристики, сопоставимые с бурыми углями.

Ni-, Co- и Ni–Co-содержащие катализаторы паровой конверсии изобутанола получены пропиткой биоугля водно-спиртовыми растворами солей металлов. Биоуголь синтезирован методом гидротермальной карбонизации целлюлозы с последующей термообработкой полученных материалов в условиях ограниченного доступа кислорода. Катализаторы охарактеризованы комплексом физико-химических методов (ИК-спектроскопия, БЭТ, температурно-программируемая десорбция аммиака, сканирующая электронная микроскопия в сочетании с локальным рентгеноспектральным микроанализом, рентгенофазовый и рентгенофлуоресцентный анализ). Установлено, что образец 2.5Ni–2.5Co/КЦ-700 (где число перед металлом соответствует его массовому содержанию в расчете на массу восстановленного катализатора, %) демонстрирует высокий выход водорода (58 %) в конверсии изобутанола.

С целью разработки эффективного катализатора для ресурсосберегающей конверсии угольного метана в водородсодержащий газ проведен синтез серии образцов Ce_0.2Ni_0.8O_1.2/Al₂O₃, исследованы их физико-химические и функциональные свойства в зависимости от природы предшественников активного компонента (гексагидрат нитрата никеля(II), аммиакат никеля(II)) и промотора (гексагидрат нитрата церия(III), нитрат аммония-церия(IV)). Показано, что природа предшественника влияет на текстурные и структурные характеристики образцов, их каталитическую активность в реакции пароуглекислотного риформинга метана и устойчивость к образованию углеродистых отложений. Установлен оптимальный состав предшественников (гексагидрат нитрата никеля(II), гексагидрат нитрата церия(III)), использование которых при синтезе катализатора Ce_0.2Ni_0.8O_1.2/Al₂O₃ обеспечивает снижение среднего размера частиц Ni активного компонента (25 → 6.5 нм) и степени зауглероживания катализатора (2.9 → 0.5 %), высокий выход водорода (95 %) при 800 °С в реакции пароуглекислотного риформинга метана.

Исследовано влияние температурных режимов термохимической обработки (гидротермальной карбонизации и торрефикации) опила лиственных пород на свойства биоуглей и характеристики процесса их горения. Рассмотрены массовые выходы биоугля с точки зрения протекающих при термохимической обработке процессов, а также изменение элементного состава в результате этих процессов. Определены оптимальный способ и температурный режим термохимической обработки. Методом ИК-Фурье спектроскопии, совмещенной с термогравиметрическим анализом, выявлено влияние способа и температуры термохимической обработки опила на состав газообразных продуктов горения биоуглей. Обнаружены две основные стадии горения биоуглей - фаза удаления и сжигания летучих веществ (до 400 °С) и фаза сжигания полукокса (после 400 °С). Проведенный в процессе горения ИК-Фурье-анализ позволил определить выделяющиеся компоненты газовой смеси и наблюдать процессы термохимического распада компонентов биоугля в режиме реального времени. Исследование горения биоуглей показало, что повышение температуры обработки опила снижает образование газообразных продуктов на первой стадии горения и способствует росту количества диоксида углерода на второй стадии.

Адсорбционная очистка промышленных сточных и пластовых вод от металлов-токсикантов позволяет снизить антропогенную нагрузку на водные объекты. Показана эффективность использования адсорбента, полученного на основе местного минерального сырья, – горелой породы Ерунаковского каменноугольного месторождения (Кемеровская область) – для удаления ионов тяжелых металлов из водных растворов. Изучены кинетика процесса извлечения катионов кадмия из водных растворов, модели адсорбции Фрейндлиха, Ленгмюра и Дубинина-Радушкевича и их соответствие для описания процесса извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов на горелой породе. Установлена зависимость адсорбции от кислотности среды (рН). Максимальная адсорбционная способность от 30 до 40 мг/г была достигнута при рН 12.0. Химическая модификация щелочью (NaOH) при рН 12.0 приводит к увеличению степени извлечения ионов кадмия. В исследуемом диапазоне концентраций модели изотерм Фрейндлиха и Ленгмюра в большей степени соответствуют экспериментальным данным о равновесной адсорбции ионов металлов на горелой породе по сравнению с моделью Дубинина-Радушкевича.

Синтезирован мезопористый углеродный сорбент, модифицированный сульфосалициловой кислотой методом адсорбции из водных растворов. Подобраны оптимальные параметры модифицирования: соотношение, концентрация, продолжительность стадий пропитки и термообработки, рН. Изучены физико-химические свойства образцов: удельная поверхность, объем пор, качественный и количественный состав поверхностных функциональных групп, количество нанесенного модификатора, адсорбционные и десорбционные свойства. Определены адсорбционные характеристики исследуемых образцов в отношении органических красителей метиленового синего и метанилового желтого. Установлено, что в процессе десорбции в течение 48 ч в водный раствор, моделирующий среду кишечника, и в этанол переходит соответственно ~68 и ~82 % от исходной концентрации наносимой на данный образец сульфосалициловой кислоты. При этом наблюдается снижение рН исходных растворов на 6 единиц. Установлены высокие антибактериальные свойства модифицированного углеродного сорбента по отношению к Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae in vitro.

Предложены составы для формирования трехкомпонентных упругих криогелей на основе водных растворов поливинилового спирта (ПВС) и картофельного крахмала. Показано, что вязкость водных растворов зависит как от вида полимера, так и от суммарного содержания полимеров в системе. Модуль упругости трехкомпонентных криогелей зависит от концентрации в них крахмала и повышается от 5 до 15 кПа при добавлении 1-5 мас. % последнего. При введении в матрицу двух- и трехкомпонентных криогелей дисперсного материала (почвы), вследствие высокой адгезии полимера к наполнителю, получили наполненные криогели, модуль упругости которых в 16 раз больше, чем у криогелей без наполнителя. Введение 5 мас. % картофельного крахмала в состав криогеля ПВС увеличило время его полного высыхания на воздухе на одни сутки, а при хранении в воде - повысило его деструкцию на 5 % за неделю. Поведение двухкомпонентных криогелей при их хранении в воде резко различалось: криогель ПВС не менял массу, потеря массы для криогеля картофельного крахмала составила 11 % за неделю. В почвенном тесте под действием аборигенной почвенной микрофлоры показано снижение массы трехкомпонентных криогелей на 75-89 % за счет потери влаги и деструкции. Потеря массы двухкомпонентного криогеля на основе ПВС составила порядка 60 %. Тестирование почв на фитотоксичность после деструкции трехкомпонентных криогелей выявило снижение всхожести белой горчицы (Sinapis alba L.) на 2-10 % относительно контрольного опыта, в зависимости от содержания крахмала, а контрольного двухкомпонентного криогеля ПВС - на 18 %. Криоструктурирование верхнего почвенного слоя криогелем ПВС привело к повышению сухой надземной массы растений на 3.2 % по сравнению с контролем, криогелем картофельного крахмала - на 7.1 %, криогелем на основе ПВС и картофельного крахмала - на 9.4 %.