Microwave plasma synthesis and surface modification of nanostructured materials

Mgr. Jozef Toman, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V předložené disertační práci byla zkoumána tvorba nanomateriálů na bázi uhlíku z prekurzorů obsahujících uhlík pomocí mikrovlnného pochodňového plazmového výboje v dvoukanálovém uspořádání elektrody za atmosférického tlaku. Byl studován proces rozkladu ethanolu a dalších prekurzorů obsahujících atomy uhlíku, vodíku a kyslíku s cílem řídit průběh syntézy, vlastnosti a kvalitu syntetizovaného uhlíkového nanomateriálu a produkce procesu. Materiálové vlastnosti uhlíkového nanomateriálu byly zkoumány pomocí Ramanovy spektroskopie, rastrovací elektronové mikroskopie, transmisní elektronové mikroskopie, rentgenové fotoelektronové spektroskopie, rentgenové difrakce, termogravimetrické analýzy, tepelného žíhání a měření povrchu metodou BET (Brunauer, Emmett a Teller). Struktura dynamického atmosférického mikrovlnného plazmatu a podrobný popis vlastností plazmatu a procesů probíhajících během procesu syntézy byly analyzovány pomocí různých diagnostických metod, tj. optické emisní spektroskopie, infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací, hmotnostní spektroskopie s protonovou ionizací, snímání vysokorychlostní kamerou a spektrálního snímání digitální kamerou ICCD. Všechny informace z materiálových analýz byly následně korelovány s informacemi získanými pomoci diagnostiky plazmatu, aby bylo možné získat komplexní pohled na proces rozkladu prekurzorů v plynné fázi a následné tvorby nanomateriálu.

Abstract:

In the presented Ph.D. dissertation, the formation of carbon-based nanomaterials from carbon-containing precursors was investigated using microwave plasma torch discharge in a dual-channel electrode configuration under atmospheric pressure conditions. The process of decomposition of ethanol and various other precursors, containing carbon, hydrogen, and oxygen atoms, was studied with the aim of controlling the synthesis process, the nature and quality of the synthesized carbon solid nanomaterial, and the production rate of the process. The material properties of the solid carbon nanomaterial were investigated using Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffractometry, thermal gravimetry analysis, thermal annealing, and BET (Brunauer, Emmett and Teller) surface area analysis. The structure of the dynamic atmospheric microwave plasma and the detailed description of the plasma properties and processes occurring during the synthesis process were analyzed using various plasma diagnostic methods, i.e., optical emission spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectroscopy, high-speed camera imaging, and ICCD digital camera spectral imaging. All of the information from material analyses was subsequently cross-correlated with the information obtained from the plasma diagnostic methods to obtain a complex insight into the process of precursor disintegration in the gas-phase and subsequent reformation into a solid-phase.

Keywords

uhlík, nanomateriál, grafén, nanosheet, plynná fáze, syntéza, mikrovlny, plasma, pochodňový, výboj, carbon, graphene, gas-phase, synthesis, microwave, torch, discharge

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2022
• Supervisor: Mgr. Ondřej Jašek, Ph.D.
• Reader: Prof. Françoise Massines, doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics