Активация углеродных материалов марки Сибунит оксидом азота (II): исследование физико-химических и адсорбционных свойств азотсодержащих носителей. Испытания полученных адсорбентов для приготовления биокатализаторов низкотемпературного синтеза сложных эфир

Активация путем травления углеродного материала марки Сибунит® окисью азота (NO) позволила получить азотсодержащие носители с варьируемым содержанием введенного азота (N) от 2,3 до 10,7 ат.% (по данным РФЭС). Травление осуществляли в реакторе высокого давления (от 15 до 29 атм) при повышенной температуре (180 и 230 °С). Были изучены физико-химические и адсорбционные свойства полученных азотсодержащих углеродных носителей. Так, исследование текстуры носителей показало, что при увеличении содержания азота удельная поверхность материалов уменьшалась с 470 до 65 м2/г, при этом средний диаметр пор увеличивался с 7,4 до 18,1 нм. Из анализа спектров РФЭС следовало, что атом N в углеродных материалах присутствует в пяти формах. Для материала с максимальным содержанием азота (10,7 ат.%) доли состояний (α) различных форм составили: пиридиный (α = 0,47), пиррольный (α = 0,38), графитный N (α = 0,13), в составе групп O=N-C (α = 0,011) и С–NO2 (α = 0,0077). Полученные азотсодержащие углеродные материалы были изучены в качестве адсорбентов для иммобилизации рекомбинантной липазы rPichia/lip. Методами МУРР и СЭМ было показано, что адсорбированная липаза способна образовывать октамеры и более крупные агрегаты сложной структуры (из 100 молекул). Доля единичных (неагрегированных) молекул фермента увеличивалась (в 3,3 раза) при увеличении содержания азота (до 11 ат.%) в углеродном материале. Биокатализаторы (БК), приготовленные путем адсорбционной иммобилизации рекомбинантной липазы rPichia/lip, были испытаны в реакции низкотемпературной этерификации гептановой С7 кислоты бутиловым С4 спиртом, протекающей в гексане. Было обнаружено, что введение азота при однократной пост-активации NO материала Сибунит® оказывало заметное положительное влияние на ферментативную активность и стабильность приготовленных БК. Оптимальное содержание введенного азота составило 7–10 ат.%, при этом биокаталитическая активность увеличилась в 2–3 раза (по сравнению с исходным Сибунитом), конверсия гептановой кислоты составила 84 % за 6 ч при 20±2 °С.

1. Плаксин Г.В. //Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т. 9. С. 609–620.

2. Полянская Е.М., Таран О.П. // Вестник Томского гос. ун-та. Химия. 2017. № 10. С. 6–26.

3. Serp P., Machado B. // Nanostructured Carbon Materials for Catalysis, RSC Catalysis Series. 2016. № 23 P. 1–45.

4. Podyacheva O.Y., Korobova A.N., Yashnik S.A., Svintsitskiy D.A., Stonkus O.A, Sobolev V.I., Parmon V.N. // Diamond & Related Materials. 2023. V. 134. P. 109771.

5. Ayiania M., Smith M., Hensley A. J. R., Scudiero L., McEwen J.-S., Garcia-Perez. // Carbon. 2020. V.162. P. 528-544.

6. Lobiak E.V., Bulusheva L.G., Fedorovskaya E.O., Shubin Yu.V., Plyusnin P.E. et al. // Beilstein J. Nanotechnol. 2017. V.8. P. 2669–2679.

7. Evtushok V.Yu., Suboch A.N., Podyacheva O.Yu., Stonkus O.A., Zaikovskii V.I., et al. // ACS Catal. 2018. V. 8. P. 1297−1307. DOI: 10.1021/acscatal.7b03933

8. Tuaev X., Paraknowitsch J. P., Illgen R., Thomas A., Strasser P. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2012. №14. Р. 6444–6447.

9. Shi W., Wu K.-H., Xu J., Zhang Q., Zhang B., Su, D. S. // Chemistry of Materials. 2017. V. 29. № 20. P. 8670–8678.

10. Favaro M., Agnoli S., Perini L., Durante C., Gennaro A., Granozzi G. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. V. 15. P. 2923–2931.

11. Paraknowitsch J. P., Thomas A., Antonietti M. // J. Mater. Chem. 2010. V.20. P. 6746–6758.

12. Maksimova T.A., Mishakov I.V., Bauman Y.I., Ayupov A.B., Mel’gunov M.S., Dmitrachkov A.M., Nartova A.V., Stoyanovskii V.O., Vedyagin A.A. // Materials. 2022. V.15. Nо. 22. P. 1–20.

13. Inagaki M., Toyoda M., Soneda Y., Morishita T. // Carbon. 2018. V. 132. P. 104–140.

14. Hulicova D., Yamashita J., Soneda Y., H Hiroaki, Kodama M. // Chem. Mater. 2005. V. 17. P. 1241–1247.

15. Kodama M., Yamashita J., Soneda Y., Hatori H., Nishimura S., Kamegawa K. // Mater. Sci. Eng. 2004. V. 108. P. 156–161.

16. Kumar Kuntumalla, M., Attrash, M., Akhvlediani, R., Michaelson, S., Hoffman, A. // Applied Surface Science. 2020. V. 525. P. 146562.

17. Bandosz, T. J., Ania, C. O. // Activated Carbon Surfaces in Environmental Remediation. Chapter 4. 2006. P. 159-229.

18. Солдатенков А.Т., Колядина Н.М., Ле Туань Ань. Основы органической химии душистых веществ для прикладной эстетики и ароматерапии. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 240 с.

19. Войткевич С.А. 865 душистых веществ для парфюмерии и бытовой химии. М.: Пищевая промышленность, 1994. 594 с.

20. Almeida de R.M., Souza F.T.C., Junior M/A.C., Albuquerque N.J.A., Meneghetti S.M.P., Meneghetti M.R. // Catalysis Comm. 2014. Vol. 46. P. 179–182.

21. Huang S.-M.., Wu P.-Y. , Chen J.-H., Kuo C.-H., Shieh C.-J. //Catalysts 2018. V. 8. P. 338–348. doi:10.3390/catal8080338.

22. Nguyen P.C., Nguyen M.T.T., Lee C.-K., Oh I.-N., Kim J.-H., Hong S.-T., Park J.-T. // Carbohydrate Polymers. 2019. Vol. 218. P. 126–135.

23. Pereira A. da S., Fraga J. L., Souza C. P. L. , Torres A. G., Amaral P.F. F. // Catalysts. 2023. V.13. P. 780–796. https://doi.org/10.3390/catal13040780

24. Gandhi N. N., Mukherjee K. D. // J. American Oil Chem. Soc. 2001. V. 78. P. 161–165.

25. Arsan J., Parkin K.L. // Biotechnol. Bioeng. 2000. Vol. 69. P. 222–226.

26. Suster C.R. L., Toledo M., Matkovic S. R., Morcelle S R., Briand L. E. // Сatalysts. 2023. V. 13. P. 625–645. https://doi.org/10.3390/catal13030625.

27. Коваленко Г. А. // Кинетика и катализ. 2023. Т. 64. № 5. C. 499–527. DOI: 10.31857/S0453881123050052.

28. Беклемишев А.Б., Пыхтина М.Б., Перминова Л.В., Коваленко Г.А. // Биотехнология. 2021. Т. 37. № 5. С. 5–19. doi: 10.21519/0234-2758-2021-37-5-5-62

29. Briggs D., Seah M.P. Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, John Wiley&Sons. Inc., Chichester. 1983. 533 р.

30. Moulder J.F., Stckle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy, Perkin- Elmer, Eden Prairie, MN. 1992. 261 р.

31. Gregg, S.J. and Sing, K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. Cambridge, MA: Academic Press, 2nd ed. 1982

32. Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2002.

33. Konarev P.V., Petoukhov M.V., Volkov V.V., Svergun D.I. // J. Appl. Cryst. 2006. V. 39. P. 277– 287.

34. Нартова А.Н., Ананьина А.А., Семиколенов С.В., Дмитрачков А.М., Квон Р.И., Бухтияров В.И // Кинетика и катализ. 2023. V. 64. № 4. С. 466–472. DOI: 10.31857/S0453881123040093.

35. Bearden J.C., Jr. // Biochim. Biophys. Acta. 1978.Vol. 533. P. 525–529

36. Franke D., Jeffries C.M., Svergun D.I. // Biophys J. 2018. V. 114. P. 2485–2492. DOI: 10.1016/j.bpj.2018.04.018.