Vývoj termoanalytických metod pro charakterizaci porézních uhlíkatých materiálů

Mgr. Lucie KOŘENÁ

Doctoral thesis

Development of thermoanalytical techniques for porous carbons characterization

Abstract:

Porézní uhlíky se používají v různých aplikacích v závislosti především na funkcionalizaci jejich povrchu a na porozitě. Funkcionalizace povrchu porézních uhlíků kyslíkem z plynné fáze, neboli povrchová oxidace porézních uhlíků, a vlivy porozity a velikosti částic na její průběh byly zkoumány v první části této disertační práce. Povrchová oxidace uhlíku byla zkoumána na uhlících s hierarchickou porozitou a několika velikostmi částic pomocí izotermické termogravimetrie s oxidační atmosférou. Bylo prokázáno, že vlivy velikosti částic a porozity uhlíků vzájemně souvisejí a oba ovlivňují difúzi plynů, přenos tepla a tím i jejich samoohřev. Kinetická analýza pak umožnila popsat, že základní chemické reakce, které podle předpokladu řídí povrchovou oxidaci uhlíku, nejsou ovlivněny ani porozitou, ani velikostí částic. Charakterizace porozity (zejména) různých uhlíků pomocí DSC termoporometrie pak byla zkoumána v dalších částech této disertační práce. Vliv velikosti pórů na termoporometrická měření byl sledován pomocí uhlíků s různě velkými, ale podobně tvarovanými póry. Bylo zjištěno, že s rostoucí velikostí pórů se významně zvyšuje tloušťka nemrznoucí vrstvy vody jakožto testovací kapaliny. Vlivy povrchové chemie a využití vody/benzenu jako testovacích kapalin na termoporometrická měření byly testovány na několika uhlících jak v hydrofobních, tak hydrofilních variantách. Nemrznoucí vrstva testovací kapaliny v pórech byla u většiny hydrofilních uhlíků podstatně silnější než u hydrofobních, když byla použita voda, ale byla téměř nezměněna, když byl aplikován benzen. Dále byla uvedena doporučení, za jakých podmínek je výhodnější používat vodu/benzen jako testovací kapalinu. Makroporézní gely byly charakterizovány pomocí vody, benzenu a OMCTS jakožto testovacích kapalin a pomocí jednoduchých DSC měření s využitím spíše rychlých rychlostí ohřevu. Ukázalo se, že charakterizace makropórů je omezena na spíše malé makropóry při použití OMCTS jako testovací kapaliny a použití jednoduchých DSC měření s rychlostí ohřevu 1 °C/min.

Abstract:

Porous carbons are used in various applications depending mainly on their surface functionalization and porosity. The carbon surface functionalization with oxygen from gaseous phase, i.e. carbon surface oxidation, and the effects of porosity and particle size on its course were examined.The carbon surface oxidation having carbons with three levelled porosity and with several particle sizes was performed using isothermal thermogravimetry with an oxidizing atmosphere. The particle size and porosity were shown to have interrelated effects on the diffusion of gasses, heat transfer and thus self-heating. Kinetic analysis then enabled to describe that the basic chemical reactions presumably controlling the carbon surface oxidation are affected neither by porosity nor by particle size. The porosity characterization primarily of different carbons by DSC thermoporometry was investigated. The effect of pore size on the thermoporometrical measurements was assessed examining carbons with differently sized but alike shaped pores. The increasing pore size was found out to significantly increase the thickness of non-freezable water layer. The effects of surface chemistry and water/benzene utilization as probe liquids on the thermoporometrical measurements were tested on several carbons in hydrophobic (pristine) and hydrophilic (oxidized) forms. The non-freezable layer of a probe liquid in pores was found considerably thicker for most of hydrophilic carbons than hydrophobic ones when water was employed but was almost unchanged when benzene was applied. The recommendations in what conditions is preferable to use water/benzene as a probe liquid were given. The macroporosity of some silica/hybrid gels was tried to access using water, benzene and OMCTS as probe liquids and using simple DSC measurements (rather quick scanning rates). The macropores characterization turned out to be limited to rather small mesopores when using OMCTS as a probe liquid and applying simple DSC measurements with 1 °C/min heating rate.

Keywords

uhlík, termogravimetrie, termoporometrie, povrchová oxidace, porozita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 2. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D., doc. RNDr. Václav Slovák, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Analytical Chemistry / Analytical chemistry of Heterogenous Systems