Otrzymywanie nowych nanostruktur węglopochodnych w warunkach wysokoenergetycznych

W pracy badano powstawanie nanostruktur węglowych o charakterze grafenopochodnym oraz węglowo-krzemowych w dwóch układach z wysokoenergetyczną aktywacją reagentów: niskociśnieniowym, niskotemperaturowym indukcyjnym reaktorze plazmowym o częstości radiowej oraz w reaktorze wysokociśnieniowym (synteza spaleniowa). Prowadzone badania ukierunkowane były na określenie wpływu różnorakich parametrów procesowych na morfologię produktów oraz wydajność syntez.Warstwy węglowo-krzemowe oraz węglowe otrzymywane w niskociśnieniowym reaktorze RF nie były zadawalającej jakości, a sam proces osadzania charakteryzował się niską powtarzalnością. Dalsze badania, stanowiące zasadniczą treść niniejszej pracy, skoncentrowano więc na otrzymywaniu nanostruktur grafenopochodnych na drodze syntezy spaleniowej.Zaproponowano nowatorskie podejście polegające na równoczesnej chemicznej redukcji i termicznym rozwarstwieniu grafitopodobnego materiału (GO lub CFx) magnezem lub krzemem, w wyniku której otrzymano rozwarstwiony/”akordeonowy” materiał węglowy (odwzorowujący w pewnym sensie morfologię substratu). Jako alternatywne substraty zastosowano też inne proste związki chemiczne (CO, CO2) i sole nieorganiczne (CaC2O4). Obserwowano tutaj głęboką transformację reagentów, a w wyniku redukcji uzyskano węglowy materiał blaszkowy (ang. petal-like). Użycie Si jako reduktora pozwoliło natomiast na realizację dwukanałowej reakcji spalania. Uzyskano heterogenny materiał zawierający grafenopochodny węgiel oraz nanowłókna SiC, tego typu układ nanostruktur może być stosowany jako modyfikator kompozytów.Syntezy przeprowadzone w układzie krzemki/PTFE potwierdziły natomiast dużą dowolność wyboru reagentów w syntezie spaleniowej oraz możliwość produkcji związków o nietypowej morfologii i stechiometrii.Przedstawione badania dowiodły możliwości stosowania syntezy spaleniowej do otrzymywania nanostruktur grafenopodobnych, jednocześnie wykazując tą metodę jako prostą, szybką i nisko-kosztową (reakcja egzotermiczne, tanie reagenty), odpowiednią dla materiałów wykorzystywanych w inżynierii materiałowej.

The goal of the research was to obtain carbon and silicon-carbon nanostructures in highly energetic environments. The synthesis were conducted in two experimental systems: (a) a low-temperature, low-pressure inductively-coupled RF plasma reactor and (b) a high pressure reactor (via combustion synthesis). The parametric studies were concentrated on defining the influence of selected operational parameters on the synthesis, composition and morphology of the products.Thin silicon-carbon and carbon film were deposited in a low pressure plasma reactor. Neither the quality of the layers nor the experimental reproducibility was satisfying. Thus, the main body of the further research was concentrated on the synthesis of the graphene-related materials by using a combustion synthesis approach.An innovation approach of parallel chemical reduction and thermal exfoliation of graphite-related materials (GO, CFx) with magnesium or silicon was tested. As a result of the reduction, a highly exfoliated/accordion-like carbon material was produced (the essentially layered morphology of the reagent was partially preserved). Basic chemical compounds (CO, CO2) and simple inorganic salts (oxalates) were also used as alternative reagents. In such systems much deeper transformation of reagents was observed and petal-like carbon product was obtained. The use of Si as a reducer initiated two-channel reaction with a ‘composite’ heterogeneous material as the product (graphene-related carbon and SiC nanofibers). Obviously, this type of material can find an interesting applicability.The synthesis carried out in silicides/PTFE systems revealed remarkable robustness in the selection of reactants for combustion synthesis and the possibility of formation of products with an unusual morphology and stoichiometry.The research demonstrates that the combustion synthesis, a simple, low cost (autothermal reaction, cheap reagents) and reliable approach, is a novel alternative method for graphene-like nanostructures formation, suitable for materials science and engineering.