REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Ogljik, eden izmed najbolj zastopanih materialov v zemeljski skorji, je pritegnil
pozornost raziskovalcev zaradi visoke strukturne stabilnosti, električne prevodnosti ter
optičnih in termalnih lastnosti. Poleg tega so ogljikovi materiali obetavni za številne
aplikacije, vključno s skladiščenjem energije, senzorji, biomedicino in elektroniko zaradi
možnosti prilagajanja teh materialov na nanoskali. Ena izmed najobetavnejših aplikacij
ogljikovih nanomaterialov so naprave za shranjevanje energije, saj se potrebe potrošnikov
po alternativnih energetskih virih povečujejo. Zato je že bilo veliko truda vloženega v
oblikovanje naprednih ogljikovih materialov za skladiščenje energije z oblikovanjem
nanostrukture, površinskim inženirstvom in tvorbo nanokompozitov. Vendar pa so
najpogosteje uporabljene sintezne in obdelovalne tehnike omejene zaradi visokih
energetskih in visokotemperaturnih zahtev izdelave, slabe kontrole nanoinženiringa in
počasnega procesa rasti. Zato je za industrijske namene potreben razvoj nove bolj
učinkovite tehnike za nadzorovano nanoinženirstvo naprednih ogljikovih materialov v
velikem obsegu.
V tej doktorski disertaciji se plazemske tehnike uporabijo za razvoj naprednih elektrod
za energetske aplikacije, ki temeljijo na ogljiku. Da bi dosegli raziskovalne cilje, je doktorska
raziskava oblikovana v tri faze: (i) razvoj plazemskih tehnik za izdelavo ogljikovih
nanostruktur,(ii) zasnova hibridnih elektrod na ogljikovi osnovi in (iii) raziskovanje
zmogljivosti shranjevanja energije zasnovanih elektrod. V prvi fazi se raziskuje hladno
nizkotlačno plazmo kot perspektivni pristop za snovanje naprednih ogljikovih materialov
na nanoskali. Testirali smo različne plazemske sisteme za sintezo ogljikovih nanostruktur.
V vseh primerih je bil uporabljen radiofrekvenčni generator za napajanje plazemske
razelektritve. Prvi pristop je bil plazemsko nalaganje ogljikovih nanostruktur iz parne v
trdno fazo, kjer se je uporabilo pline, ki vsebujejo ogljik, kot prekurzorje za sintezo. V
drugem pristopu smo vzpostavili alternativno tehniko z rastočimi nanostrukturami ogljika
s površinsko reformacijo trdnega vzorca s pomočjo plazme iz mešanice plinov argon/vodik.
V obeh primerih smo raziskali vpliv parametrov plazemske razelektritve na mehanizme
rasti nanostruktur.
V drugi fazi tega doktorskega raziskovanja smo dokazali zmožnost plazme za površinsko
inženirstvo in heteroatomsko dopiranje tako pri nizkem tlaku kot pri atmosferskih pogojih.
Tako so bile ogljikove nanostrukture izpostavljene nizkotlačnim plazmam, ki vsebuje jo
dušik, za sintezo z dušikom obogatenih ogljikovih nanozidov. Z atmosfersko plazmo iz
inertnega plina pa se je obdelalo vzorce prepletenih ogljikovih nanocevk. Razkrili smo
mehanizme površinskega inženiringa v obeh primerih in določili spremembe v površinskih
lastnostih. V zadnji fazi smo oblikovali hibridne nanostrukture na osnovi ogljika za namene
shranjevanja energije. Za pripravo ogljikovih nanostrukturnih platform smo izbrali
plazemske tehnike, ki so bile uporabljene v prvih dveh fazah naše raziskave. Poleg teh smo
se poslužili še tehnike žarjenja, s katero smo oblikovali hibridni kompozit ogljik/kovinskisulfid.
Nazadnje smo premerili elektrokemijske lastnosti izdelanih elektrod za baterije in
superkondenzatorje. Meritve so pokazale, da so naše elektrode med podobnimi materiali na
osnovi ogljika ene najboljših. Predstavljena doktorska disertacija ponuja vpogled v
superiornost plazemskih tehnik za oblikovanje hibridnih elektrod, ki temeljijo na ogljiku.
Poleg tega te metode ponujajo „paket 2-v-1“, saj lahko prilagajajo lastnosti sintetiziranih
elektrod bodisi med postopkom sinteze bodisi pozneje. Primeri uporabe plazemske tehnike
so bili v doktorski nalogi prikazani za pripravo elektrod z vrhunskimi lastnostmi za uporabo
kot elektrode za litij-ionske baterije ali superkondenzatorje.