text size

Preparation and characterization of nanomaterials for electrochemical energy storage

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Preparation and characterization of nanomaterials for electrochemical energy storage
Title (in czech):
Příprava a charakterizace nanomateriálů pro elektrochemické ukládání energie
Type:
Dissertation
Author:
Mgr. Milan Bouša
Supervisor:
prof. RNDr. Ladislav Kavan, DSc.
Opponents:
RNDr. Antonín Fejfar, CSc.
Ing. Matěj Velický, Ph.D.
Consultant:
Mgr. Otakar Frank, PhD.
Thesis Id:
94291
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Inorganic Chemistry (31-240)
Study programm:
Inorganic chemistry (P1401)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
16/10/2017
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
grafen, Ramanova spektroskopie, spektroelektrochemie
Keywords:
graphene, Raman spectroscopy, spectroelectrochemistry
Abstract (in czech):
Abstrakt Výzkum (nejen) uhlíkatých nanomateriálů v čele s grafenem je v současné době jednou z nejčastěji studovaných oblastí materiálové fyziky a chemie, zejména díky mimořádným vlastnostem těchto materiálů vhodným k využití pro konverzi a uchování energie. Během syntézy grafenu a následné manipulace však dochází k narušování jinak téměř ideální krystalové struktury grafenu a tím i ke změně jeho elektronických vlastností. Proto je naprosto nezbytné mít strukturu grafenu „pevně pod kontrolou“, čehož je možné dosáhnout pouze vývojem a použitím pokročilých instrumentálních metod. Grafen může být snadno připraven oxidací a následnou exfoliací grafitu za vzniku tzv. oxidu grafenu. Jedná se o materiál o tlouštce několika málo vrstev grafitu, který má na svém povrchu navázané funkční skupiny obsahující kyslík, které narušují unikátní, sp2 hybridizovanou síť uhlíkových atomů a tedy i elektronovou strukturu grafenu. Z tohoto důvodu je pro některé aplikace nutné podrobit oxid grafenu alespoň částečné redukci. V první části této práce je detailně studována jeho elektrochemická redukce za pomoci fotoelektronové, infračervené a především Ramanovy spektroskopie. Dosažené výsledky byly dále porovnávány s referenčním neoxidovaným materiálem. Možné využití tohoto procesu je demonstrováno na elektrochemické aktivaci nanokompozitu oxidu grafenu s LiFePO4. Druhá část práce se zaměřuje na mechanické, jednoosé natahování jedno- a dvouvrstvého grafenu přeneseného na plastický substrát. Při těchto deformacích byly pozorovány změny v elektronové struktuře grafenu pomocí Ramanovy spektroskopie a výsledky interpretovány zejména s přihlédnutím k velikosti domén grafenu, přítomnosti povrchových „anomálií“, jako jsou například trhliny a vrásy, nebo změnám vzájemné orientace grafenových vrstvev. K rozlišení přenesené mechanické deformace a dopování náboji (oba vlivy jsou v grafenu běžně přítomny) byla použita vektorová analýza, upravená pro jednoosý tah. Na závěr byla vyvinuta metoda pro in-situ spektroelektrochemii izolovaných dvourozměrných krystalů, které mohou být zároveň kontrolovaně deformovány nezávisle na ostatních vlivech. Klíčová slova: grafen, Ramanova spektroskopie, spektroelektrochemie.
Abstract:
Abstract Graphene research is nowadays one of the worldwide most prominent fields of interest in material science due to many extraordinary properties of graphene and related materials. However, the different techniques of synthesis and subsequent handling and/or treatment have a substantial impact on the properties of the graphene and thus a lot of efforts have been focused on developing of the advanced methods for graphene preparation and characterization. Graphene can be easily produced by oxidation and consequent exfoliation of the bulk graphite; however, resulting graphene oxide needs to be reduced back to graphene-like structure due to partial restoration of sp2 network. Herein, a detailed study of the structural evolution of the graphene oxide during electrochemical treatment has been performed using X-ray photoelectron, Raman and infrared spectroscopies and the results were compared with non-oxidized graphene nano-platelets. Additionally, graphene oxide in composite with LiFePO4 olivine material, which is electrochemically almost inactive in a freshly made state, has been tested by repeated electrochemical cycling. Using various electrochemical methods, the progressive electrochemical activity enhancement has been observed and spontaneous graphene reduction was identified as responsible for this phenomenon. The second part of this work deals with mono- and bilayer graphene under uniaxial in plane loading. Generally, strain and even doping are present in graphene simultaneously and both play an important role in the changes of its electronic structure. The behavior of various strained graphene samples transferred onto the target polymer substrates were examined by Raman spectroscopy and discussed with respect to presence of cracks, wrinkles, grain boundaries and loss of bilayer lattice periodicity. Further, the level of stress and doping transferred to the crystal from the substrate was calculated by the vector analysis method with a specific adjustment for the uniaxial strain. Finally, a new method for spectroelectrochemical characterization of isolated strained 2D crystals has been established. Key words: graphene, Raman spectroscopy, spectroelectrochemistry
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Mgr. Milan Bouša 5.28 MB
Download Attachment to the thesis Mgr. Milan Bouša 7.42 MB
Download Abstract in czech Mgr. Milan Bouša 144 kB
Download Abstract in english Mgr. Milan Bouša 75 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Mgr. Milan Bouša 2.5 MB
Download Opponent's review RNDr. Antonín Fejfar, CSc. 319 kB
Download Opponent's review Ing. Matěj Velický, Ph.D. 191 kB
Download Defence's report 728 kB
Download Errata Mgr. Milan Bouša 312 kB