Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу
Визначено каталiтичну активнiсть вуглецевих нанопоруватих матерiалiв типiв КАУ й СКН, їхнiх окиснених та азотвмiсних модифiкованих форм, ензиму каталаза у модельнiй реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу в етилацетатi шляхом розрахунку констант Мiхаелiса за даними кiнетики розкладання субстрату. До...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2015
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97950 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу / Д.М. Галярник, О.М. Бакалінська, М.Т. Картель // Доповіді Національної академії наук України. — 2015. — № 11. — С. 75-82. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-97950 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-979502017-11-09T13:28:15Z Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу Галярник, Д.М. Бакалінська, О.М. Картель, М.Т. Хімія Визначено каталiтичну активнiсть вуглецевих нанопоруватих матерiалiв типiв КАУ й СКН, їхнiх окиснених та азотвмiсних модифiкованих форм, ензиму каталаза у модельнiй реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу в етилацетатi шляхом розрахунку констант Мiхаелiса за даними кiнетики розкладання субстрату. Доведено, що каталiтична здатнiсть дослiджуваних зразкiв корелює iз основнiстю їхньої поверхнi та наявнiстю четвертинного азоту в структурi. Введення азоту збiльшує, а кисню зменшує їхню каталiтичну активнiсть. Определена каталитическая способность углеродных нанопористых материалов типов КАУ и СКН, их окисленных и азотсодержащих модифицированных форм и фермента каталаза в модельной реакции разложения пероксида бензоила в этилацетате путем расчета констант Михаэлиса по данным кинетики разложения субстрата. Установлено, что каталитическая способность исследованных образцов коррелирует с основностью их поверхности и наличием четвертичного азота в структуре. Введение азота увеличивает, а кислорода уменьшает их каталитическую активность. The catalytic activity of carbon nanoporous materials of SCN and KAU type, their oxidized and nitrogen-containing modified forms, enzyme catalase in the model reaction of benzoyl peroxide decomposition in ethyl acetate solutions are determined by the calculation of the Michaelis constants according to the kinetics of substrate decomposition. It is found that the catalytic activity of studied samples correlates with surface basicity and the presence of quaternary nitrogen groups in the structure. The doping by nitrogen and oxygen heteroatoms increases and decreases, respectively, their catalytic activity. 2015 Article Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу / Д.М. Галярник, О.М. Бакалінська, М.Т. Картель // Доповіді Національної академії наук України. — 2015. — № 11. — С. 75-82. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97950 544.47,546.26,54-39 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Хімія Хімія |
| spellingShingle |
Хімія Хімія Галярник, Д.М. Бакалінська, О.М. Картель, М.Т. Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу Доповіді НАН України |
| description |
Визначено каталiтичну активнiсть вуглецевих нанопоруватих матерiалiв типiв КАУ
й СКН, їхнiх окиснених та азотвмiсних модифiкованих форм, ензиму каталаза у модельнiй реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу в етилацетатi шляхом розрахунку констант Мiхаелiса за даними кiнетики розкладання субстрату. Доведено, що каталiтична здатнiсть дослiджуваних зразкiв корелює iз основнiстю їхньої поверхнi та наявнiстю четвертинного азоту в структурi. Введення азоту збiльшує, а кисню зменшує їхню каталiтичну активнiсть. |
| format |
Article |
| author |
Галярник, Д.М. Бакалінська, О.М. Картель, М.Т. |
| author_facet |
Галярник, Д.М. Бакалінська, О.М. Картель, М.Т. |
| author_sort |
Галярник, Д.М. |
| title |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| title_short |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| title_full |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| title_fullStr |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| title_full_unstemmed |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| title_sort |
вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів кау й скн у реакції розкладання пероксиду бензоїлу |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Хімія |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97950 |
| citation_txt |
Вплив гетероатомів азоту та кисню на каталітичну активність вуглецевих нанопоруватих матеріалів типів КАУ й СКН у реакції розкладання пероксиду бензоїлу / Д.М. Галярник, О.М. Бакалінська, М.Т. Картель // Доповіді Національної академії наук України. — 2015. — № 11. — С. 75-82. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT galârnikdm vplivgeteroatomívazotutakisnûnakatalítičnuaktivnístʹvuglecevihnanoporuvatihmateríalívtipívkaujsknureakcíírozkladannâperoksidubenzoílu AT bakalínsʹkaom vplivgeteroatomívazotutakisnûnakatalítičnuaktivnístʹvuglecevihnanoporuvatihmateríalívtipívkaujsknureakcíírozkladannâperoksidubenzoílu AT kartelʹmt vplivgeteroatomívazotutakisnûnakatalítičnuaktivnístʹvuglecevihnanoporuvatihmateríalívtipívkaujsknureakcíírozkladannâperoksidubenzoílu |
| first_indexed |
2025-07-07T05:49:42Z |
| last_indexed |
2025-07-07T05:49:42Z |
| _version_ |
1836966094909210624 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
11 • 2015
ХIМIЯ
УДК 544.47,546.26,54-39
Д.М. Галярник, О. М. Бакалiнська, академiк НАН України
М.Т. Картель
Вплив гетероатомiв азоту та кисню на каталiтичну
активнiсть вуглецевих нанопоруватих матерiалiв типiв
КАУ й СКН у реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу
Визначено каталiтичну активнiсть вуглецевих нанопоруватих матерiалiв типiв КАУ
й СКН, їхнiх окиснених та азотвмiсних модифiкованих форм, ензиму каталаза у мо-
дельнiй реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу в етилацетатi шляхом розрахунку кон-
стант Мiхаелiса за даними кiнетики розкладання субстрату. Доведено, що каталiтич-
на здатнiсть дослiджуваних зразкiв корелює iз основнiстю їхньої поверхнi та наявнi-
стю четвертинного азоту в структурi. Введення азоту збiльшує, а кисню зменшує
їхню каталiтичну активнiсть.
Ключовi слова: вуглецевi наноматерiали, гетероатоми, азотвмiсне вугiлля, каталiтична
активнiсть, константа Мiхаелiса, пероксид бензоїлу, неводне середовище.
Вуглецевi нанопоруватi матерiали (ВНМ) здатнi каталiзувати численнi окисно-вiдновнi та
кислотно-основнi процеси, впливати на ферментативнi процеси, в яких виявляють власну
ензимоподiбну активнiсть [1]. Показано, що ВНМ можуть каталiзувати процеси як у во-
дному, так i в неводному середовищах. Останнiм часом значна увага придiляється дослi-
дженням ензимної активностi в неводному середовищi [2]. Однак ензимоподiбнi властивостi
вуглецевих наноматерiалiв у неводному середовищi практично не дослiджувалися.
Здатнiсть ВНМ до каталiзу пов’язують iз структурними факторами — питомою поверх-
нею, розмiром i об’ємом сорбцiйних пор, та хiмiєю поверхнi — присутнiстю гетероатомiв (О,
S, N, P, B, Н тощо) у виглядi структур включення, або поверхневих груп. Зокрема, модифi-
кування киснем спричинює появу полярних кисневмiсних груп на поверхнi (карбоксильних,
ангiдридних, лактонних i фенольних), збiльшує її кислотнiсть, приводить до гiдрофiлiзацiї
матерiалу, надає йому iонообмiнних властивостей [3]. Функцiоналiзацiя азотом змiнює еле-
ктрофiзичнi, адсорбцiйнi та структурнi властивостi ВНМ [4], впливає на його каталiтичну
активнiсть. Азотвмiсне активоване вугiлля застосовують в технологiях збереження енер-
гiї [5], паливних елементах [6], акумуляторах [7], сонячних батареях [8] та каталiзi [9–11].
© Д.М. Галярник, О.М. Бакалiнська, М.Т. Картель, 2015
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 75
Мета роботи — дослiдження каталазоподiбної активностi ряду рiзних за вмiстом гете-
роатомiв вуглецевих нанопоруватих матерiалiв у неводному середовищi в модельнiй реакцiї
розкладання пероксиду бензоїлу (ПБ) та встановлення кореляцiї мiж структурою вуглеце-
вих матриць, змiною їх хiмiї поверхнi та каталiтичною активнiстю.
Результати дослiдження можуть бути використанi для створення бiокаталiзаторiв спря-
мованої дiї в медицинi, бiотехнологiї, бiосенсорицi на основi доступної недорогої сировини.
Експериментальна частина. Для вивчення каталiтичного розкладання пероксиду
бензоїлу використано синтетичне азотвмiсне (СКН) та природне (КАУ, iз шкаралупи фру-
ктових кiсточок) вугiлля, їх модифiкованi форми (окисненi нiтратною кислотою СКНо й
КАУо, азотвмiснi КАУ (N-КАУ) й СКН (N-СКН), що отриманi просочуванням сечовиною
з подальшою термiчною обробкою), КАУо-NH2 (окиснене КАУо iз хiмiчно iммобiлiзованим
1,5-дiамiнопентаном) та каталазу (з бичачої печiнки, К 1.11.1.6, активнiсть 329300 о. а.,
“Fluka”).
Дослiдженi зразки були охарактеризованi визначенням: площi питомої поверхнi (Sпит) —
хроматографiчним методом низькотемпературної адсорбцiї азоту; об’єму сорбцiйних пор
(Vs) — ексикаторним методом за бензолом, елементного складу — методами Прегля та Дюма
(табл. 1). Якiсну та кiлькiсну характеризацiю функцiональних груп на поверхнi зразкiв
активованого вугiлля проводили їх титруванням за Бьомом (табл. 2).
Хiмiчний стан атомiв азоту на поверхнi зразкiв ВНМ дослiджували методом рентгено-
фотоелектронної спектроскопiї (РФЕС) на приладi “VG ESCA”.
Для здiйснення експерименту використовували порошкоподiбний пероксид бензоїлу
(“Merck”, мiстить 25% води); етилацетат (“Merck”, для рiдинної хроматографiї, 99,8%).
Таблиця 1. Структурно-сорбцiйнi характеристики та елементний склад дослiджуваних сорбентiв
ВНМ
Елементний склад, % за масою Vs, см3/г
(Х1)
Sпит, м2/г
(Х2)С Н O (Х6) N (Х5)
КАУ 99,40 0,20 0,06 0,30 0,50 920
КАУo 96,30 1,10 2,10 0,60 0,85 790
N-КАУ 89,20 2,33 6,24 2,20 0,91 940
КАУо-NH2 78,60 1,98 16,8 3,30 0,56 650
СКН 91,20 0,96 6,50 1,30 0,75 1970
СКНo 85,80 0,90 11,20 2,00 0,80 2140
N-СКН 91,25 1,20 3,70 3,85 0,84 1650
R2 — — 0,01 0,13 0,34 0,01
Таблиця 2. Вмiст поверхневих груп зразкiв активованого вугiлля, мекв/г
ВНМ
Групи
карбо-
ксильнi лактоннi фенольнi
Сума кисл. груп
(Х3)
оснóвнi
(Х4)
КАУ 0,04 0,06 0,02 0,12 0,00
КАУо 0,84 0,20 1,39 2,43 0,00
N-КАУ 0,00 0,45 0,05 0,50 1,90
КАУо-NH2 0,00 0,00 1,27 1,27 0,22
СКН 0,08 0,02 0,02 0,12 0,12
СКНo 1,04 0,10 1,01 2,15 0,00
N-СКН 0,00 0,00 0,73 0,73 1,44
R2 — — — 0,14 0,93
76 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11
Розчини пероксиду бензоїлу необхiдних концентрацiй (вiд 1 до 10%) готували з наваж-
ки. Вмiст ПБ у препаратi, з наважки якого готували розчини, попередньо встановлено
йодометриметричним титруванням.
Волюмометричний метод використовували для визначення оптимальної наважки ката-
лiзатора, каталiтичної активностi вуглецевих наноматерiалiв та ферменту каталаза в нево-
дному середовищi. Розкладання ПБ проводили в термостатованiй комiрцi з перемiшуван-
ням. Температуру реакцiйної сумiшi визначали з точнiстю ±0,5 ◦С, температуру навколи-
шнього середовища — з точнiстю ±1 ◦C, об’єм газiв, що видiляються в реакцiї, — з точнi-
стю ±0,01 мл. Вимiрювали об’єм газу, що видiляється протягом 120 хв експерименту. Об’єм
розчину пероксиду бензоїлу в кожному дослiдi становив 10 мл.
Каталiтичну ензимоподiбну здатнiсть вуглецевих матерiалiв, їхнiх модифiкованих форм
та каталази встановлювали за допомогою методики вивчення кiнетичних закономiрностей
перебiгу ферментативних реакцiй за константами Мiхаелiса (KМ). Визначення KМ [12] про-
водили за початковою швидкiстю (V0) реакцiї при рiзних концентрацiях субстрату. З метою
полегшення сприйняття отриманих даних розраховували константу афiнностi (Kаф) — ве-
личину, обернену до константи Мiхаелiса.
Результати та їх обговорення. З метою встановлення факторiв, що впливають на ка-
талiтичну активнiсть вуглецевих матерiалiв в обранiй реакцiї, нами синтезовано ряд зразкiв
ВНМ, якi рiзняться структурно-сорбцiйними характеристиками, хiмiєю поверхнi, наявнiстю
гетероатомiв у структурi. Об’єм сорбцiйних пор варiюється в межах 0,50–0,90 см3/г, а площа
питомої поверхнi — 650–2140 м2/г. Результати елементного аналiзу зразкiв вугiлля вказу-
ють на те, що пiд час окиснення кiлькiсть атомiв кисню збiльшується вдвiчi для вугiлля
СКН та в 35 разiв для вугiлля КАУ. При цьому також зростає вмiст атомiв водню, що
свiдчить про формування кисневмiсних функцiональних груп на поверхнi зразкiв СКН та
КАУ (див. табл. 1). Титрування поверхневих груп дало змогу встановити, що утворенi гру-
пи мають кислотний характер. Загальна кiлькiсть кислих груп при окисненнi вугiлля СКН
збiльшується у 18, а КАУ — у 20 разiв. Хiмiчна iммобiлiзацiя 1,5 дiамiнопентану на поверх-
нi окисненого КАУо приводить до зменшення загальної кiлькостi кислих груп практично
вдвiчi, причому титруванням виявлено лише фенольнi групи на поверхнi вугiлля.
Лужнi поверхневi групи визначаються в зразках СКН, N-СКН, N-КАУ та КАУо-NH2
(див. табл. 2) у кiлькостi вiд 0,12 до 1,90 мекв/г, iмовiрно, завдяки наявностi атомiв азоту
у структурi цих матерiалiв. Вмiст атомiв азоту за даними елементного аналiзу найменший
у вугiллi КАУ — 0,30%. Окиснення нiтратною кислотою подвоює його кiлькiсть у структурi
вугiлля, внаслiдок процесiв нiтрування вуглецевої поверхнi. Функцiоналiзацiя вугiлля КАУ
дозволяє ввести до 2,20% азоту. Азот мiститься у вугiллi марки СКН, оскiльки цей матерiал
отримують iз вiнiлпiридинової смоли [13]. При цьому загальний вмiст азоту в синтетичному
вугiллi СКН також збiльшується при окисненнi. Було синтезовано вугiлля N-СКН, в якому
виявлено найбiльший вмiст азоту в дослiджуваних зразках — 3,85%. Варто вiдзначити,
що у вугiллi N-СКН кiлькiсть основних груп зросла у 12 разiв у порiвняннi iз вихiдним
матерiалом. При хiмiчнiй iммобiлiзацiї 1,5-дiамiнопентану на поверхнi КАУо-NH2 з’явилися
основнi групи, якi пов’язують iз наявнiстю азоту в структурi, але при порiвняннi iз N-КАУ
їх вмiст у 8,6 раза менший.
Для кiлькiсного розрахунку змiни концентрацiї ПБ пiд час каталiтичного розкладання
волюмометричним методом необхiдно було встановити стехiометрiю реакцiї. Аналiз проду-
ктiв реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу за навяностi вуглецевих наноматерiалiв мето-
дом ТПД МС показав, що в усiх випадках видiляється СО й СО2, вивiльнення молекули
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 77
Рис. 1. Каталiтична активнiсть дослiджуваних матерiалiв
кисню не спостерiгалося. Для обчислення результатiв дослiдження кiнетики розкладання
ПБ волюмометричним методом було прийнято, що в результатi реакцiї розкладання однiєї
молекули ПБ видiляються двi молекули газу [14].
Експериментально було визначено каталiтичну активнiсть дослiджуваних об’єктiв у ре-
акцiї розкладання ПБ (рис. 1). Достовiрнiсть апроксимацiї визначення (R2) констант Мiха-
елiса та афiнностi в ходi проведеного експерименту не менша за 0,85.
Встановлено, що каталiтична активнiсть дослiджених матерiалiв (Kаф, (ммоль/л)−1,
Y) зменшується в такому рядi: N-КАУ (34,5) > N-СКН (18,2) > СКН (6,2) > СКНо
(4,0) > каталаза (3,7) > KAУо-NH2 (3,4) > КАУ (2,1) > КАУо (0,9). Активнiсть азотв-
мiсних ВНМ бiльша за таку ензиму каталаза. N-КАУ найбiльш активний, значну актив-
нiсть проявляє N-СКН, який втричi активнiший за вихiдний СКН. Меншою активнiстю
характеризується СКНо. Наступнi матерiали менш активнi, нiж ензим. При цьому матерi-
ал КАУо-NH2 активнiший за КАУ й КАУо, який має найменшу активнiсть. Таким чином,
азотвмiснi матерiали мають вищу каталiтичну активнiсть. Це можна пояснити тим, що
азот як електронодонорний елемент забезпечує бiльшу рухливiсть електронiв у вуглецевiй
матрицi i знижує роботу виходу електрона на межi подiлу вугiлля / рiдка або газоподi-
бна фаза. Окиснення вуглецевих матерiалiв призводить до зниження їхньої каталiтичної
активностi через зменшення електронодонорної здатностi, через що перенесення електро-
нiв до молекули ПБ вiдбувається важче. Каталаза займає промiжне мiсце мiж азотвмiсними
ВНМ та матерiалами KAУ й ВНТо за активнiстю в реакцiї розкладання ПБ у неводному
середовищi. Це свiдчить про те, що вуглецевi наноматерiали можуть виконувати роль бiо-
каталiзаторiв у неводному середовищi, а за певних умов досягати бiльшої ефективностi
процесу в порiвняннi з ензимами.
Автори даного повiдомлення поставили питання, вiд яких чинникiв залежить каталiтич-
на каталазоподiбна активнiсть дослiджуваних ВНМ у реакцiї розкладання ПБ у неводному
середовищi. Пошук кореляцiї (R2) мiж каталiтичною активнiстю (Kаф, Y) та структурни-
ми факторами (Х1 й Х2) позитивної вiдповiдi не дав — R2
1 = 0,34 й R2
2 = 0,01 вiдповiдно.
Загальний вмiст кислих поверхневих груп (Х3) та вмiст кисню (Х6) також не впливає на
каталiтичну активнiсть — R2
3 = 0,14 й R2
6 = 0,01 вiдповiдно, тодi як мiж наявнiстю основних
груп (Х4) та активнiстю iснує кореляцiя R2
4 = 0,93. Було зроблено припущення, що лужнiсть
78 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11
Таблиця 3. Кореляцiя мiж хiмiчним станом нiтрогену та каталiтичною активнiстю ВНМ
Матерiал
Стан атомiв нiтрогену (вiдносний вмiст, %)
Kаф,
мМ−1пiролiдо-
новий пiрольний
пiриди-
новий
пiридин
N-оксид
NO2-
група C=N
четвер-
тинний
(X7) (X8) (X9) (X10) (X11) (X12) (X13) (Y)
КАУ 0,00 35,59 57,58 3,98 2,85 0,00 0,00 2,12
КАУо 0,00 6,44 89,27 2,83 1,46 0,00 0,00 0,89
N-КАУ 0,00 1,12 67,38 0,00 4,09 14,18 13,23 34,48
КАУо-NH2 35,93 0,00 60,67 1,30 0,00 0,00 2,10 3,44
СКН 48,69 0,00 25,52 10,03 2,19 13,57 0,00 6,17
СКНo 0,00 29,41 45,12 0,35 3,07 21,37 0,00 4,00
N-СКН 0,00 0,00 64,45 2,39 0,23 32,39 0,54 18,18
R2 0,07 0,14 0,01 0,11 0,14 0,23 0,77 —
поверхнi ВНМ обумовлена азотвмiсними групами. Але каталiтична активнiсть не корелює
iз загальним вмiстом азоту (Х5) R2
5 = 0,13. Вiрогiдно, каталiтична активнiсть азотмiсних
ВНМ залежить не вiд загального вмiсту азоту в структурi, а вiд його хiмiчного стану.
Стан атомiв азоту та їхнiй вiдносний вмiст у дослiджуваних ВНМ було визначено з ана-
лiзу N 1s РФЕ спектрiв (табл. 3).
Показано, що каталiтична ензимоподiбна активнiсть вуглецевих наноматерiалiв коре-
лює з наявнiстю четвертинного азоту, через що збiльшується електронодонорна здатнiсть
вуглецевої матрицi. Вища активнiсть модифiкованих азотвмiсних ВНМ N-КАУ й N-СКН
у порiвняннi з СКН може пояснюватися рiзним вмiстом четвертинного азоту. Цi данi пiд-
тверджуються знайденою залежнiстю активностi вiд наявностi основних груп на поверхнi
ВНМ. Аналогiчнi висновки було зроблено в роботi [11], автори якої показали, що четвер-
тинний азот збiльшує активнiсть вугiлля в реакцiях епоксидацiї стирену та окиснювального
дегiдрування пропану завдяки збiльшенню електронодонорностi атомiв вуглецю.
Таким чином, експериментально визначено каталiтичну здатнiсть вугiлля типiв КАУ й
СКН, їхнiх модифiкованих форм (окиснених, азотвмiсних) та ензиму каталаза у модельнiй
реакцiї розкладання пероксиду бензоїлу в етилацетатi шляхом розрахунку KМ за даними
кiнетики розкладання субстрату. Показано, що вуглецевi матерiали виявляють каталазо-
подiбну здатнiсть у неводному середовищi. Встановлено, що каталiтична здатнiсть дослi-
джуваних зразкiв корелює не iз структурними параметрами, а iз змiнами хiмiї їх поверхнi.
Введення кисню зменшує, а азоту збiльшує їхню каталiтичну активнiсть. Визначено вплив
хiмiчного стану атомiв азоту в структурi вугiлля на його каталiтичну активнiсть. Встанов-
лено, що каталiтична ензимоподiбна активнiсть вуглецевих наноматерiалiв корелює з на-
явнiстю четвертинного азоту в складi ВНМ. Синтезованi N-ВНМ є перспективними (як
каталiзатори) для розкладання органiчних пероксидiв у неводному середовищi.
Цитована лiтература
1. Глевацька К.В., Бакалiнська О.М., Картель М.Т. Кiлькiсна оцiнка каталазної активностi вуглеце-
вих сорбентiв медичного призначення // Доп. НАН України. – 2008. – № 8. – С. 126–131.
2. Krieger N., Bhatnagar T., Baratti J. C., Baron A.M., de Lima V.M., Mitchell D. Non-Aqueous Bi-
ocatalysis in Heterogeneous Solvent Systems // Food Technol. Biotechnol. – 2004. – 42, No 4. – P. 279–286.
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. by T.
Bandosz]. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – P. 1–47.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 79
4. Okotrub A.V., Bulusheva L.G., Kudashov A.G., Belavin V.V., Vyalikh D.V., Molodtsov S. L. Orientation
ordering of N2 molecules in vertically aligned CN(x) nanotubes // Appl. Phys. A: Mater. – 2009. – 94, No
3. – P. 437–443.
5. Badzian A., Badzian T., Breval E., Piotrowski A. Nanostructured, nitrogen-doped carbon materials for
hydrogen storage // Thin Solid Films. – 2001. – 398. – P. 170–174.
6. Shao Y., Sui J., Yina G., Gao Y. Nitrogen-doped carbon nanostructures and their composites as catalytic
materials for proton exchange membrane fuel cell // Appl. Catal. – 2008. – 79. – P. 89–99.
7. Shao Y.Y., Wang X.Q., Engelhard M., Wang C.M., Dai S., Liu J., Yang Z.G., Lin Y.H. Nitrogen-doped
mesoporous carbon for energy storage in vanadium redox flow batteries // J. Power Sources. – 2010. – 195,
No 13. – P. 4375–4379.
8. Cui T.X., Lv R.T., Huang Z.H., Zhu H.W., Zhang J., Li Z., Yi J., Feiyu K., Kunlin W. Synthesis of
nitrogen-doped carbon thin films and their applications in solar cells // Carbon. – 2011. – 49, No 15. –
P. 5022–5028.
9. Chettya R., Kundua S., Xiaa W., Brona M., Schuhmannb W., Chirilad V., Blandl W., Reinecke T.,
Muhler M. PtRu nanoparticles supported on nitrogen-doped multiwalled carbon nanotubes as catalyst for
methanol electrooxidation // Electrochim. Acta. – 2009. – 54. – P. 4208–4215.
10. Chen P., Xiao T.Y., Li H.H., Yang J. J., Wang Z., Yao H.B., Yu S.H. Nitrogen-doped graphene/ZnSe
nanocomposites: hydrothermal synthesis and their enhanced electrochemical and photocatalytic activiti-
es // ACS Nano. – 2012. – 6, No 1. – P. 712–719.
11. Podyacheva O.Yu., Izmagilov Z.R. Nitrogen-doped carbon nanomaterials: To the mechanism of growth,
electrical conductivity and application in catalysis // Catal. Today. – 2015. – 249. – P. 12–22.
12. Глевацька К.В. Бакалiнська О.М., Картель М.Т. Дослiдження, опис та порiвняння каталазної
активностi вуглецевих сорбентiв типу СКН та КАУ // Наук. зап. НаУКМА, Хiмiчнi науки i те-
хнологiї. – 2008. – 79. – С. 19–23.
13. Стрелко В.В., Немошкаленко В.В., Картель Н.Т., Медведев С.Л. О состоянии атомов азота в гра-
фитоподобной решетке активных углей // Адсорбция и адсорбенты. – 1983. – Вып. 11. – С. 76–80.
14. Bortnik N.V., Galyarnik D.M., Kulyk T.V., Palyanytsya B.B., Bakalinska O.M., Kartel M.T. Benzoyl
Peroxide Decomposition by Carbon Nanomaterials // 34th Intern. Conf. Vacuum Microbalance and Ther-
moanalytical Techniques (ICVMTT 34) and Intern. Conf. “Modern Problems of Surface Chemistry”. –
Kiev, 2014. – P. 29.
References
1. Glevatska K.V., Bakalinska О.M., Каrtel М.Т. Dop. NAN Ukraine, 2008, No 8: 126–131 (in Ukrainian).
2. Krieger N., Bhatnagar T., Baratti J. C., Baron A.M., de Lima V.M., Mitchell D. Food Technol. Biotechnol,
2004, 42, No 4: 279–286.
3. Menendez-Diaz J.A., Martln-Gullon I. Activated carbon surfaces in environmental remediation (Interface
science and technology series, 7), Ed. by T. Bandosz, Amsterdam: Elsevier, 2006: 1–47.
4. Okotrub A.V., Bulusheva L.G., Kudashov A.G., Belavin V.V., Vyalikh D.V., Molodtsov S. L. Appl. Phys.
A: Mater., 2009, 94, No 3: 437–443.
5. Badzian A., Badzian T., Breval E., Piotrowski A. Thin Solid Films, 2001, 398: 170–174.
6. Shao Y., Sui J., Yina G., Gao Y. Appl. Catal., 2008, 79: P. 89–99.
7. Shao Y.Y., Wang X.Q., Engelhard M., Wang C.M., Dai S., Liu J., Yang Z.G., Lin Y.H. J. Power Sources,
2010, 195, No 13: 4375–4379.
8. Cui T.X., Lv R.T., Huang Z.H., Zhu H.W., Zhang J., Li Z., Yi J., Feiyu K., Kunlin W. Carbon, 2011,
49, No 15: 5022–5028.
9. Chettya R., Kundua S., Xiaa W., Brona M., Schuhmannb W., Chirilad V., Blandl W., Reinecke T.,
Muhler M. Electrochim. Acta, 2009, 54: 4208–4215.
10. Chen P., Xiao T.Y., Li H.H., Yang J. J., Wang Z., Yao H.B., Yu S.H. ACS Nano, 2012, 6, No 1: 712–719.
11. Podyacheva O.Yu., Izmagilov Z.R. Catal. Today, 2015, 249: 12–22.
12. Glevatska K.V., Bakalinska О.M., Каrtel М.Т. Scientific notes NaUKMA, Chem. Sci. and Technol., 2008,
79: 19–23 (in Ukrainian).
13. Strelko V.V., Nemoshkalenko V.V., Kartel N.T., Medvedev S. L. Adsorpt. and Adsorb., 1983, 11: 76–80
(in Russian).
80 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11
14. Bortnik N.V., Galyarnik D.M., Kulyk T.V., Palyanytsya B.B., Bakalinska O.M., Kartel M.T. 34th
Intern. Conf. on Vacuum Microbalance and Thermoanalytical Techniques (ICVMTT 34) and Intern. Conf.
“Modern Problems of Surface Chemistry”, Kiev, 2014: 29.
Надiйшло до редакцiї 13.07.2015Iнститут хiмiї поверхнi iм. О.О. Чуйка
НАН України, Київ
Д.М. Галярник, О.Н. Бакалинская, академик НАН Украины Н.Т. Картель
Влияние гетероатомов азота и кислорода на каталитическую
активность углеродных нанопористых материалов типов КАУ
и СКН в реакции разложения пероксида бензоила
Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, Киев
Определена каталитическая способность углеродных нанопористых материалов типов
КАУ и СКН, их окисленных и азотсодержащих модифицированных форм и фермента ка-
талаза в модельной реакции разложения пероксида бензоила в этилацетате путем расче-
та констант Михаэлиса по данным кинетики разложения субстрата. Установлено, что
каталитическая способность исследованных образцов коррелирует с основностью их по-
верхности и наличием четвертичного азота в структуре. Введение азота увеличивает, а
кислорода уменьшает их каталитическую активность.
Ключевые слова: углеродные наноматериалы, гетероатомы, азотсодержащие угли, катали-
тическая активность, константа Михаэлиса, пероксид бензоила, неводная середа.
D.M. Galyarnyk, O. M. Bakalinska,
Academician of the NAS of Ukraine M.T. Kartel
Influence of nitrogen and oxygen heteroatoms on catalytic activity of
carbon nanoporous materials of KAU and SCN types in the model
reaction of benzoyl peroxide decomposition
O.O. Chuiko Institute of Surface Chemistry of the NAS of Ukraine, Kiev
The catalytic activity of carbon nanoporous materials of SCN and KAU type, their oxidized and
nitrogen-containing modified forms, enzyme catalase in the model reaction of benzoyl peroxide
decomposition in ethyl acetate solutions are determined by the calculation of the Michaelis constants
according to the kinetics of substrate decomposition. It is found that the catalytic activity of studi-
ed samples correlates with surface basicity and the presence of quaternary nitrogen groups in the
structure. The doping by nitrogen and oxygen heteroatoms increases and decreases, respectively,
their catalytic activity.
Keywords: carbon nanomaterials, heteroatom, nitrogen-containing carbon, catalytic activity, Mi-
chaelis constant, benzoyl peroxide, non-aqueous media.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 81
|