Воздействие микроволнового нагрева на повышение выхода графена и графеноподобных структур из активированной растительной биомассы

Н.Г. Приходько; М.А. Елеуов; К. Аскарулы; Ә.Ә. Әбдiсаттар; А.Б. Толынбеков; А.Т. Таурбеков

doi:10.18321/cpc23(2)137-151

Авторы

Н.Г. Приходько Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева, ул. Байтурсынова, 126/1, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0001-7733-0903
М.А. Елеуов Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Satbayev University, ул. Сатпаева, 22, Алматы, Казахстан; Bes Saiman Group, ул. Тулебаева, 38, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0001-7488-7431
К. Аскарулы Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Алматинский университет энергетики и связи им. Г. Даукеева, ул. Байтурсынова, 126/1, Алматы, Казахстан; Satbayev University, ул. Сатпаева, 22, Алматы, Казахстан; Bes Saiman Group, ул. Тулебаева, 38, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-8998-0409
Ә.Ә. Әбдiсаттар Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Satbayev University, ул. Сатпаева, 22, Алматы, Казахстан; Bes Saiman Group, ул. Тулебаева, 38, Алматы, Казахстан
А.Б. Толынбеков Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Казахский национальный университет им. аль-Фараби, пр. аль-Фраби, 71, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-2664-888X
А.Т. Таурбеков Институт проблем горения, ул. Богенбай батыра, 172, Алматы, Казахстан; Bes Saiman Group, ул. Тулебаева, 38, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-4588-1521

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(2)137-151

Ключевые слова:

отходы биомассы, пшеничная солома, ячменная солома, рисовая шелуха, графеноподобные структуры, микроволновое воздействие

Аннотация

Представлены результаты исследования по повышению степени графитизации и выхода графеноподобных структур (ГПС) из предварительно карбонизованной и активированной биомассы (пшеничная и ячменная солома, рисовая шелуха) путем нагрева в микроволновой печи. Микроволновой нагрев имеет значительные преимущества по сравнению с обычным электронагревом, который более энергоемок и часто неэффективен. Микроволновый нагрев является удобным, экономичным и экологически чистым способом получения графена в отличие от сложных многостадийных процессов, связанных с использованием различных химических реагентов. Применяя микроволновой нагрев, можно также упростить стадию восстановления оксида графена, поскольку, благодаря свойствам оксида графена поглощать микроволны, микроволновое облучение может восстанавливать его непосредственно в графен без какого-либо восстановителя и атмосферы. Показано, что метод микроволнового температурного воздействия на ГПС, полученную из биомассы, приводит к удалению кислорода от 9-14% (в исходных образцах) до 0-4% при обработке в микроволновой печи при различных температурах, что значительно повышает степень графитизации и процент выхода ГПС, и может быть применен для получения объемного выхода продукта в коммерческих целях.

Библиографические ссылки

(1) M.T.-U. Safian, U.S. Haron, M.N.M. Ibrahim, A review on bio-based graphene derived from biomass wastes, Bioresources 15 (2020) 9756–9785. Crossref

(2) I. Berktas, M. Hezarkhani, L.H. Poudeh, B.S. Okan, Recent developments in the synthesis of graphene and graphene-like structures from waste sources by recycling and upcycling technologies: A review, Graphene Technol. 5 (2020) 59–73. Crossref

(3) N.Z.J. Zakaria, S. Rozali, N.M. Mubarak, S. Ibrahim, A review of the recent trend in the synthesis of carbon nanomaterials derived from oil palm by-product materials, Biomass Convers. Biorefinery 12 (2022) 1–32. Crossref

(4) X. Kong, Y. Zhu, H. Lei, C. Wang, Y. Zhao, E. Huo, X. Lin, Q. Zhang, M. Qian, W. Mateo, et al., Synthesis of graphene-like carbon from biomass pyrolysis and its applications, Chem. Eng. J. 399 (2020) 125808. Crossref

(5) Y. Zhang, Y. Cui, S. Liu, L. Fan, N. Zhou, P. Peng, Y. Wang, F. Guo, M. Min, Y. Cheng, et al., Fast microwave-assisted pyrolysis of wastes for biofuels production: A review, Bioresour. Technol. 297 (2019) 122480. Crossref

(6) Z. Du, Y. Li, X. Wang, Y. Wan, Q. Chen, C. Wang, X. Lin, Y. Liu, P. Chen, R. Ruan, Microwave-assisted pyrolysis of microalgae for biofuel production, Bioresour. Technol. 102 (2011) 4890–4896. Crossref

(7) A.M. Parvez, T. Wu, M.T. Afzal, S. Mareta, T. He, M. Zhai, Conventional and microwave-assisted pyrolysis of gumwood: A comparison study using thermodynamic evaluation and hydrogen production, Fuel Process. Technol. 184 (2018) 1–11. Crossref

(8) A.E.M. Fodah, M.K. Ghosal, D. Behera, Microwave-assisted pyrolysis of agricultural residues: Current scenario, challenges, and future direction, Int. J. Environ. Sci. Technol. 19 (2021) 2195–2220. Crossref

(9) S. Liu, P. Yan, H. Li, X. Zhang, W. Sun, One-step microwave synthesis of micro/nanoscale LiFePO₄/graphene cathode with high performance for lithium-ion batteries, Front. Chem. 8 (2020) 1–10. Crossref

(10) N. Wang, A. Tahmasebi, J. Yu, J. Xu, F. Huang, A. Mamaeva, A comparative study of microwave-induced pyrolysis of lignocellulosic and algal biomass, Bioresour. Technol. 190 (2015) 89–96. Crossref

(11) F. Tuinstra, J.L. Koenig, Raman spectrum of graphite, J. Chem. Phys. 53 (1970) 1126–1130. Crossref

(12) N.K. Memon, St.D. Tse, J.F. Al-Sharab, H. Yamaguchi, A.-M.B. Goncalves, B.H. Kear, Y. Jaluria, E.Y. Andrei, M. Chhowalla, Flame synthesis of graphene films in open environments, Carbon 49 (2011) 5064–5070. Crossref

(13) A.C. Ferrari, D.M. Basko, Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene, Nat. Nanotechnol. 8 (2013) 235–246. Crossref

(14) L.G. Cançado, A. Jorio, E.H.M. Ferreira, F. Stavale, C.A. Achete, R.B. Capaz, M.V.O. Moutinho, A. Lombardo, T.S. Kulmala, A.C. Ferrari, Quantifying defects in graphene via Raman spectroscopy at different excitation energies, Nano Lett. 11 (2011) 3190–3196. Crossref

(15) N.G. Prikhodko, B.T. Lesbaev, M. Auelkhankyzy, Z.A. Mansurov, Synthesis of graphene films in a flame, Russ. J. Phys. Chem. B 8 (2014) 61–64. Crossref

(16) N.G. Prikhodko, M. Auyelkhankyzy, B.T. Lesbayev, Z.A. Mansurov, The effect of pressure on the synthesis of graphene layers in the flame, J. Mater. Sci. Chem. Eng. 2 (2014) 13–19. Crossref

(17) N.G. Prikhodko, Z.A. Mansurov, M. Auelkhankyzy, B.T. Lesbayev, M. Nazhipkyzy, G.T. Smagulova, Flame synthesis of graphene layers at low pressure, Russ. J. Phys. Chem. B 9 (2015) 743–747. Crossref

(18) N.G. Prikhodko, G.T. Smagulova, N. Rakhymzhan, M. Auelkhankyzy, B.T. Lesbayev, M. Nazhipkyzy, Z.A. Mansurov, Synthesis of single-layer graphene in benzene–oxygen flame at low pressure, Combust. Sci. Technol. 190 (2018) 1923–1934. Crossref

(19) N. Prikhodko, M. Yeleuov, A. Abdisattar, K. Askaruly, A. Taurbekov, A. Tolynbekov, N. Rakhymzhan, Ch. Daulbayev, Enhancing supercapacitor performance through graphene flame synthesis on nickel current collectors and active carbon material from plant biomass, J. Energy Storage 73 (2023) 108853–108862. Crossref

(20) M. Yeleuov, C. Seidl, T. Temirgaliyeva, A. Taurbekov, N. Prikhodko, B. Lesbayev, F. Sultanov, C. Daulbayev, S. Kumekov, Modified activated graphene-based carbon electrodes from rice husk for supercapacitor applications, Energies 13 (2020) 4943–4953. Crossref

(21) M. Yeleuov, Ch. Daulbayev, A. Taurbekov, A. Abdisattar, R. Ebrahim, S. Kumekov, N. Prikhodko, B. Lesbayev, K. Batyrzhan, Synthesis of graphene-like porous carbon from biomass for electrochemical energy storage applications, Diam. Relat. Mater. 119 (2021) 108560–108567. Crossref

(22) L.G. Cançado, K. Takai, T. Enoki, M. Endo, Y.A. Kim, H. Mizusaki, A. Jorio, L.N. Coelho, R. Magalhães-Paniago, M.A. Pimenta, General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 163106. Crossref