Funkcjonalizacja powierzchni materiałów węglowych za pomocą plazmy niskotemperaturowej z wykorzystaniem gazów utleniających (O2, CO2, air), biernych (Ar) oraz redukujących (C2H4)

Materiały węglowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu obszarach jednak ze względu na słabą dyspersję w rozpuszczalnikach polarnych i bierność chemiczną stosuje się funkcjonalizację w celu poprawy ich reaktywności. W wyniku użycia plazmy niskotemperaturowej dochodzi do wprowadzenia tlenowych grup funkcyjnych na powierzchnię materiału w łatwy, szybki i kontrolowany sposób. Dlatego zastosowanie plazmy pozwala na precyzyjną modyfikację materiałów prowadząc do polepszenia właściwości fizykochemicznych, a tym samym zwiększając szanse na ich potencjalne zastosowanie.W przedstawionych badaniach wykonano serię pomiarów mających na celu określenie optymalnych parametrów modyfikacji (czas użycia plazmy, ciśnienie i moc generatora) pozwalających na efektywną funkcjonalizację zarówno papieru grafenowego jak i płatków grafenowych. W tym celu użyto różnych gazów (O2, CO2, powietrze, Ar, C2H4:CO2). Zastosowanie tego rodzaju funkcjonalizacji prowadzi do zmiany pracy wyjścia, która zależy od ilości i rodzaju grup funkcyjnych. Praca wyjścia opisuje właściwości elektrodonorowe, związane z funkcjonalizacją powierzchni, a jej pomiar można wykonać przy użyciu sondy Kelvina. Ilość i typ wprowadzonych grup funkcyjnych badano za pomocą spektroskopii fotoelektronów wzbudzanych promieniowaniem X, właściwości strukturalne materiałów zostały zbadane przy użyciu spektroskopii Ramana. Ponieważ obserwowane po plazmie zmiany powierzchni dla obu materiałów nie są stabilne i zanikają wraz z upływem czasu, to pomiary właściwości powierzchniowych zostały wykonane zaraz po modyfikacji jak i po kontakcie materiału z wodą oraz innymi cieczami w celu sprawdzenia ich reaktywności w reakcjach postplazmatycznych. Stwierdzono, że użycie gazu zawierającego węgiel organiczny skutkuje syntezą filmu polimerowego na badanym materiale. Tego typu funkcjonalizacja powoduje, że powierzchnia jest wysoce reaktywna i bogata w rodniki, co może prowadzić do zwiększenia gęstości powierzchniowych grup funkcyjnych po utlenieniu in situ filmu polimerowego. Najefektywniejsze wprowadzenie dodatkowych tlenowych grup funkcyjnych na powierzchnię było możliwe przy użyciu ciekłego CH3COOH do stabilizacji powierzchni materiału po traktowaniu plazmą.Graphene-based materials have a wide potential in applications in many areas, however, their weak dispersion in polar solvents and chemical inertness call for improvements in their surface reactivity. The use of low-temperature plasma allows for precise modification of materials, thus improving the physicochemical properties of the surface, and thus creating the possibility of their potential use. Plasma treatment gives the possibility for the introduction of oxygen functional groups in an easy, fast and controlled way.In this master thesis, systematic investigations on the effect of plasma modification on graphene paper as well as graphene nanoplatelets were performed in order to determine the optimal plasma parameters, especially exposure time, on the introduction of the highest amount of oxygen functional groups onto a surface. Various gases were used for this purpose (O2, CO2, air, Ar, C2H4). The use of this type of functionalization leads to a change in the work function, which depends on the number and type of functional groups. By modifying the surface, the electron-donor properties are changed, and can be measured with a Kelvin probe. The chemical nature of introduced oxygen-containing functionalities was characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, and the structural properties of the materials were investigated with the Raman spectroscopy.It was demonstrated that plasma-induced changes evolve over time. Since surface changes observed after plasma treatment for both materials are not stable, measurements of work function changes were performed as fast as possible after modification and after immersion of the modified material in water and other liquids. The immersion materials in liquids were performed to check the reactivity of carbons in post-plasma reactions. It was found that the use of organic compounds as plasma gas causes the synthesis of the polymer film on the tested material. This type of functionality makes the surface reactive and rich in radicals, which can increase the concentration of surface functional groups after in situ oxidation of the polymer film. The most effective introduction of oxygen was possible using the CH3COOH to stabilize the surface of the material after plasma treatment

Modification of electronic properties of mesoporous carbon materials using oxygen plasma treatment

Wprowadzenie polarnych grup funkcyjnych na powierzchnie badanego materiału za pomocą plazmy zmienia jej właściwości elektronowe. Stąd plazma jest powszechnie stosowana jako narzędzie do funkcjonalizacji właściwości powierzchni materiałów. W ramach przedstawionej pracy przeprowadzono modyfikację plazmą tlenową serii mezoporowatych materiałów węglowych: CKIT-6, CKIT-EDA, CKIT-TTA o zmiennej zawartości azotu oraz komercyjnego węgla Printex U (materiał referencyjny). Następnie, zbadano wpływ tej modyfikacji na: właściwości elektronowe materiałów (pomiary pracy wyjścia metodą Kelvina (KP) przed i po modyfikacji plazmą tlenową), strukturę materiałów (spektroskopia Ramana) oraz na stabilność w warunkach utleniających (pomiary termograwimetryczne). Praca wyjścia jest to parametr zależny od stopnia funkcjonalizacji lub amorfizacji materiału, stabilności i ilości grup funkcyjnych na powierzchni. Uzyskane wyniki wskazują, że modyfikacja plazmą nie powoduje zmian strukturalnych badanych materiałów (Spektroskopia Ramana), nieznacznie zmienia ich podatność na utlenianie, natomiast znacznie zmienia ich właściwości elektronowe (powoduje wzrost pracy wyjścia). Ponadto, stwierdzono, że stopień modyfikacji badanych materiałów zależy od zawartości azotu w próbce.The introduction of polar functional groups to the surface of the tested material via plasma treatment changes its electronic properties. Hence, plasma is widely used as a tool for the functionalization of the surface properties of materials. In the presented work, oxygen plasma modification of a series of mesoporous carbon materials: CKIT-6, CKIT-EDA, CKIT-TTA with variable nitrogen content, and the commercial Printex U carbon (reference material) was carried out. Then, its influence on the electronic properties of materials (work function studies by Kelvin method (KP) before and after material modification with oxygen plasma), the structure of materials (Raman spectroscopy), and on the materials’ stability under oxidative conditions (thermogravimetric measurements) was investigated. The work function is a parameter, which depends on the degree of functionalization or amorphization of the material, stability, and the number of functional groups on the surface. The obtained results indicate that plasma treatment does not cause structural changes of the tested materials (Raman spectroscopy), slightly changes their susceptibility to oxidation, however significantly changes their electronic properties (the work function increase). Moreover, it was found that the degree of modification of the tested materials depends on the nitrogen content in the sample