Uticaj različitih postupaka modifikacije površine ugljeničnih nanomaterijala na njihova svojstva i mogućnosti primene

Abstract

U okviru ove doktorske disertacije je izvršena kovalentna funkcionalizacija površine ugljeničnih nanomaterijala primenom dva različita postupka modifikacije. Prvi postupak se zasniva na uvođenju 1,3–dikarbonilnih jedinjenja Bingelovom reakcijom na površinu višeslojnih ugljeničnih nanocevi (MWCNT), dok su u drugom postupku na površinu MWCNT i grafena uvedene kiseonične funkcionalne grupe plazmom dobijenom pomoću dielektričnog barijernog pražnjenja (DBD) na atmosferskom pritisku. U daljem toku istraživanja su pripremljeni nanokompoziti funkcionalizovanih MWCNT sa amorfnim polimerom poli(metil metakrilatom) (PMMA) i elektroprovodnim polianilinom (PANI). Na grafensku površinu MWCNT su preko ciklopropanskog prstena uvedna 1,3– dikarbonilna jedinjenja primenom dve metode funkcionalizacije koje se zasnivaju na Bingelovoj reakciji. Prva metoda podrazumeva direktno uvođenje dietil malonata, barbiturne kiseline, dimedona i 2,2–dimetil–1,3–dioksan–4,6-diona na površinu nanocevi Bingelovom reakcijom. U drugom postupku, površina MWCNT–a najpre je modifikovana dietil malonatom, a potom su izvedene reakcije sinteze (zatvaranja prstena) barbiturne i tiobarbiturne kiseline sa ureom, odnosno tioureom. Ciklopropanski prsten na površini nanocevi ne narušava inherentnu grafensku strukturu nanomaterijala što se ispoljava u značajnom poboljšanju električnih svojstava i malim vrednostima poluprovodničke površinske otpornosti funkcionalizovanih MWCNT, naročito nakon dejstva električnog polja na disperziju nanomaterijala u rastvarču uz zagrevanje do 80°C. Funkcionalizovane MWCNT su pokazale bolja disperzibilna svojstva i prisustvo 1,3–dikarbonilnih jedinjenja je učinilo površinu nanocevi hidrofilnijom i pristupačnijom za prilaz elektrolita što je rezultovalo povećanom kapacitivnošću Au/MWCNT elektroda. Optimizovana je geometrija 1,3–dikarbonilnih jedinjenja na površini MWCNT semi–empirijskim proračunima (PM6) i određen je molekulski elektrostatički potencijal (MEP) ...

Covalent sidewall functionalization of carbonaceous nanomaterials was performed using two modification procedures. The first procedure was functionalization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) based on the Bingel reaction, while in the second procedure, MWCNT and graphene nanoplatelets (GNPs) were functionalized by dielectric barrier discharge (DBD) in air. Sidewall functionalization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) by Bingel reaction was performed using two approaches. In the first approach, a 1,3- dicarbonyl compound (barbituric acid, dimedone, diethyl malonate and 2,2-dimethyl- 1,3-dioxane-4,6-dione) was directly attached to the surface of carbon nanotubes under the Bingel reaction conditions. In the second approach, the surface of MWCNTs was firstly modified by diethyl malonate as a precursor and its subsequent cyclization to barbituric and thiobarbituric acid was accomplished with urea and thiourea, respectively. The results revealed that functionalized MWCNTs demonstrated enhanced electrical properties and significantly lower sheet resistance, especially after electric field thermal assisted annealing at 80°C. The presence of 1,3-dicarbonyl compounds caused the surface of MWCNTs to be more hydrophilic, approachable to the electrolyte solution and improved the capacitance performance of Au/MWCNTs electrodes. The geometry optimization of 1,3-dicarbonyl compounds on the MWCNTs surfaces was performed using semi–empirical calculation (PM6). The second part of the thesis was focused on MWCNTs and graphene nanoplatelets functionalization by dielectric barrier discharge (DBD) in air. The extent of functionalization of MWCNTs and GNPs reaches a maximum at the delivered discharge energy of 720 and 240 J mg–1, respectively. Further exposure to plasma leads to reduction of functional groups from the surface of the treated nanomaterials. It was also demonstrated that introduction of oxygen functionalities by DBD plasma treatment does not produce dramatic structural changes in MWCNTs and GNPs structure..