Хімія, фізика та технологія поверхні, 2017, 8 (4), 357-368.

Розкладання пероксиду бензоїлу на поверхні вуглецевих матеріалів на основі активованого вугілля КАУ



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp08.04.357

D. M. Haliarnyk, E. M. Demianenko, O. M. Bakalinska, T. V. Kulyk, B. B. Palyanytsya, A. G. Grebenyuk, V. S. Kuts, M. T. Kartel

Анотація


Досліджено стабільність неводних розчинів та каталітичну реакцію розкладання пероксиду бензоїлу (ПБ) зразками вуглецевих матеріалів (ВМ) – активованого вугілля з кісточок абрикоса КАУ, його азот- та кисеньвмісними (N-КАУ, О-КАУ) модифікованими формами і ензимом каталазою. Показано, що каталітична активність ВМ, кількісно оцінена за константами Міхаеліса, визначається природою поверхневих функціональних груп носія, а не його структурно-сорбційними характеристиками. Встановлено, що каталітична активність азотвмісних ВМ у неводному середовищі на порядок вища, ніж у ензиму каталази. Здатність каталізаторів розкладати пероксид бензоїлу зменшується в послідовності     N–КАУ > каталаза > КАУ > O-КАУ. Проведено порівняльний аналіз одержаних експериментальних даних з результатами квантовохімічних розрахунків енергії розриву зв’язків в молекулі ПБ в різних середовищах, електронної будови модельних вуглецевих нанокластерів (ВНК) та енергетичних параметрів реакції розкладання пероксиду. Встановлено, що в молекулі ПБ, незалежно від полярності середовища, найслабшим є зв'язок О-О. Визначено, що термодинамічні і кінетичні характеристики взаємодії радикала ПБ (С6Н5-СОО, ПБ·) з поверхнею модельних ВНК (чисто вуглецевих, азот- та кисеньвмісних) визначаються їхньою електронодонорною здатністю (потенціалом іонізації). 


Ключові слова


різновиди активованого вугілля КАУ; пероксид бензоїлу; каталітичне розкладання; константи Міхаеліса; механізм реакції; метод ТПД МС; квантово-хімічні розрахунки; DFT-метод

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Fidalgo B. Carbon materials as catalysts for decomposition and CO2 reforming of methane: a review. Chin. J. Catal. 2011. 32(1–2): 207. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(10)60166-0

2. Panagiotis T. Carbon as catalyst and support for electrochemical energy conversion. Carbon. 2014. 75: 5. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.005

3. Menendez-Diaz J.A., Martln-Gullon I. Types of carbon adsorbents and their production. Activated carbon surfaces in environmental remediation. (Interface science and technology series, 7/Ed. T. Bandosz. Elsevier, 2006).

4. Shafeeyan M.S., Wan Mohd Ashri Wan Daud, Houshmand A., Shamiri A. A review on surface modification of activated carbon for carbon dioxide adsorption. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2010. 89(2): 143. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2010.07.006

5. Bagreev A., Bandosz T. Carbonaceous materials for gas phase desulfurization: role of surface heterogeneity. Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 2004. 49(2): 817.

6. Matzner S. Boehm H.P. Influence of nitrogen doping on the adsorption and reduction of nitric oxide by activated carbons. Carbon. 1998. 36(11): 1697. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)90047-1

7. Sharma S, Pollet B.G. Support materials for PEMFC and DMFC electrocatalysts - a review. J. Power Sources. 2012. 208: 96. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.02.011

8. Stavitskaya S.S., Strelko V.V. Catalytic properties of carbon enterosorbents. Theor. Exp. Chem. 1995. 31(2): 65. https://doi.org/10.1007/BF00529987

9. Lapko V.F., Gerasimyuk I.P., Kuts' V.S., Tarasenko Yu.A. The activation characteristics of the decomposition of H2O2 on palladium-carbon catalysts. Russian J. Phys. Chem. A. 2010. 84(6): 934. https://doi.org/10.1134/S0036024410060087

10. Voitko K., Tóth A., Demianenko E., Dobos G., Berke B., Bakalinska O., Grebenyuk A., Tombácz E., Kuts V., Tarasenko Yu., Kartel M., László K. Catalytic performance of carbon nanotubes in H2O2 decomposition: Experimental and quantum chemical study. J. Colloid Interface Sci. 2015. 437: 283. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.09.045

11. Kuts V.S., Gerasimyuk I.P., Tarasenko Yu.A. Kinetic and quantum chemical study on the reaction of H2O2 decomposition on Cn, Pdm and Pdm/Cn clusters. Chemistry, Physics and Technology of Surface. Collection book. 2009. 15: 25. [in Russian].

12. Voitko K.V., Demianenko E.M., Bakalinska O.M., Tarasenko Yu.O., Kuts V.S., Kartel M.T. Quantum chemical study on thermodynamic and kinetic characteristics of the interaction between hydroxyl radical and graphite–like planes. Him. Fiz. Technol. Poverhni. 2013. 4(1): 3. [in Ukrainian].

13. Lee M.-Y., Dordick J.S. Enzyme activation for non-aqueous media. Curr. Opin. Biotechnol. 2002. 13(4): 376. https://doi.org/10.1016/S0958-1669(02)00337-3

14. Kriegeret N., Bhatnagar T., Baratt J.C., Baron A.M., de Lima V.M., Mitchell D. Non-Aqueous Biocatalysis in Heterogeneous Solvent Systems. Food Technol. Biotechnol. 2004. 42(4): 279.

15. Dimcheva N., Horozova E. Non-aqueous biocatalysis by catalase immobilized on Ti/silicate. Scientific Papers. 2005. 33(2): 55.

16. Tarkovskaya I.A. Oxidized coal. (Kiev: Naukova dumka, 1981). [in Russian].

17. Zhuravsky S.V., Kartel M.T., Tarasenko Yu.O., Villar-Rodil S., Dobos G., Toth A., Tuscon J., Laszlo K. N containing carbons from styrene-divinylbenzene copolymer by urea treatment. Appl. Surf. Sci. 2012. 258(7): 2410. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.10.062

18. Haliarnyk D.M., Bakalinska O.M., Palyanytsya B.B., Kulyk T.V., Kartel M.T. Decomposition of organic peroxides by carbon nanomaterials in non-aqueous media. Surface. Collection book. 2015. 7(22): 253. [in Ukrainian].

19. Keltsev N.V. Fundamentals of adsorption technics. (Moscow: Khimiya, 1984). [in Russian].

20. Klimova V.A. Basic procedures of microanalysis of organic compounds. (Moscow: Khimiya, 1967). [in Russian].

21. Alekseyev V.N. Quantitative analysis. (Moscow: Khimiya, 1972). [in Russian].

22. Boehm H.P. Surface oxides on carbon and their analysis: a critical assessment. Carbon. 2002. 40(2): 145. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(01)00165-8

23. Hoffman R.V. p-Nitrobenzenesulfonyl Peroxide. Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. 2001: 1.

24. Lyalikov Yu.S. Physico-chemical methods of analysis. (Moscow: Khimiya, 1973). [in Russian].

25. Glevatska K.V., Bakalinska O.M., Kartel M.T. Studies, description and comparation of the catalase activity of carbon sorbents of SKN and CAU. Transactions of NaUKMA, Chemical Sciences and Technologies. 2008. 79: 19. [in Ukrainian].

26. Pokrovskiy V.O. Desorption mass-spectrometry: physics, physical chemistry, surface chemistry. News Nat. Acad. Sci. of Ukraine. 2012. 12: 28. [in Ukrainian].

27. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

28. Becke A.D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913

29. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

30. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32(7): 1456. https://doi.org/10.1002/jcc.21759

31. Cossi M., Barone V., Cammi R., Tomasi J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. Chem. Phys. Lett. 1996. 255(4–6): 327. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00349-1

32. Jensen F. Introduction to computational chemistry. (New York: Wiley, 2006).

33. Lyarvinets O.S., Choban A.F., Yakovych N.I. Effect of solvents on heterogeneous catalytical decomposition of benzoyl peroxide in presence of vanadium (V) oxide. Naukoviy visnyk of Chernivtsy University. 2012. 606: 58. [in Ukrainian].

34. Hongo T., Hikage S., Sato A. Stability of benzoyl peroxide in methyl alcohol. Dental Mater. J. 2006. 2(25): 298. https://doi.org/10.4012/dmj.25.298

35. Kuzin I.A., Strashko B.K. Preparation and examination of ion-exchange properties of oxidized coal. Zhurn. Prikl. Khimii. 1966. 39(3): 603. [in Russian].

36. Kublanovskiy V.S., Oblovatnaya S.Ya. Catalytic activity of the synthetic nitrogen-containing coals in the reactions of hydrogen peroxide decomposition. Ukr. Khim. Zhurn. 2000. 66(1–2): 18. [in Russian].

37. Strelko V.V., Kuts V.S., Thrower P.A. On the mechanism of possible influence of heteroatoms of nitrogen, boron and phosphorus in a carbon matrix on the catalytic activity of carbons in electron transfer reactions. Carbon. 2000. 38(10): 1499. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00121-4

38. Strelko V.V., Kartel N.T., Dukhno I.N., Kuts V.S., Clarksonb R.B., Odintsov B.M. Mechanism of reductive oxygen adsorption on active carbons with various surface chemistry. Surf. Sci. 2004. 548(1–3): 281. https://doi.org/10.1016/j.susc.2003.11.012

39. Kopyl S.A., Kuts V.S., Tarasenko Yu.A. Physico-chemical characteristics of the oxygen-containing active coal SKN. Corrosion, materials, protection. 2005. 6: 37. [in Russian].

40. Kuts V.S., Klymenko V.E., Strelko V.V. Cluster models for active coal. In: Selective Sorption and Catalysis on Active Coals and Inorganic Ionites. (Kyiv: Naukova Dumka, 2008). [in Russian].

41. Kuts V.S., Kopyl S.A., Tarasenko Yu.A. Cluster models for surfaces of oxidized coal and their electrochemical properties. Chemistry, Physics and Technology of Surface. Collection book. 2008). 14: 156. [in Russian].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp08.04.357

Copyright (©) 2017 D. M. Haliarnyk, E. M. Demianenko, O. M. Bakalinska, T. V. Kulyk, B. B. Palyanytsya, A. G. Grebenyuk, V. S. Kuts, M. T. Kartel