Modyfikacja strukturalna i powierzchniowa oraz badania właściwości fizykochemicznych nanocebulek węglowych

Abstract

Głównym założeniem rozprawy doktorskiej była modyfikacja strukturalna oraz powierzchniowa nanocebulek węglowych (z ang. carbon nano-onion, CNO) w celu osiągnięcia specyficznych właściwości fizykochemicznych, w tym elektrochemicznych oraz katalitycznych. Modyfikacje te były przeprowadzone dwiema ścieżkami: wykorzystującymi czynniki fizyczne (temperaturę oraz skład atmosfery gazowej) oraz/lub czynniki chemiczne, stosując różnego rodzaju modyfikatory (odczynniki chemiczne). W części eksperymentalnej przedstawiono syntezę domieszkowanych CNO oraz kompleksową charakterystykę fizykochemiczną modyfikowanych CNO. Modyfikacja strukturalna została przeprowadzona na drodze syntezy in situ, stosując zmienne warunki eksperymentalne oraz domieszkując nanostruktury węglowe atomami N lub B. Modyfikacja powierzchniowa polegała zaś na modyfikacji CNO atomami Ni/lub S na drodze syntezy post-preparatywnej. Wprowadzenie heteroatomów typu B, N i/lub S, na drodze modyfikacji strukturalnej i powierzchniowej, do sferycznej struktury CNO doprowadziło do zmiany ich właściwości fizykochemicznych, do poprawy zdolności magazynowania ładunku elektrycznego oraz poprawy właściwości katalitycznych. Uzyskane wyniki badań, potwierdziły możliwość wykorzystania modyfikowanych nanostruktur węglowych w czujnikach elektrochemicznych oraz urządzeniach magazynujących energię, np. kondensatorach.

The main assumption of the doctoral dissertation was structural and surface modification of carbon nano-onions in order to obtain their specific physicochemical properties, including electrochemical and catalytic ones. The modifications were performed in two ways: using physical factors (temperature and the composition of gas atmosphere), and/or using various chemical modifiers (chemical reagents). In the experimental section, the synthesis of doped CNOs and comprehensive physicochemical characteristics of the modified CNOs are described. The use of these experimental methods made it possible to determine the relationship between the structure, chemical composition and physicochemical properties of the CNOs. Structural modification was performed via in situ synthesis, using varying experimental conditions and doping the carbon nanostructures with N or B atoms. Surface modification involved the modification of CNOs with N and/or S atoms via post-preparative synthesis. The introduction of heteroatoms of B, N and/or S via structural and surface modification to the spherical structure of CNOs changed their physicochemical properties, improved their ability to store electric charge, and improved their catalytic properties. The results of the experiments confirmed that modified carbon nanostructures can be used in electrochemical sensors and energy storage devices, e.g., capacitors.