Παρασκευή προηγμένων υβριδικών υλικών άνθρακα
Authors: Χουντουλέση Ελένη 
Published: April 2024

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η παρασκευή και μελέτη νέων νανοδομημένων υβριδικών υλικών άνθρακα με στόχο την αξιοποίησή τους σε διάφορες εφαρμογές. Κατά την εκπόνηση της συγκεκριμένης διατριβής, διερευνήθηκαν περιβαλλοντικά φιλικές μέθοδοι για τη χρήση μίγματος φουλερενίων σε αντιδράσεις προσθήκης. Η χρήση μίγματος φουλερενίων αντί καθαρού C60 έγινε με σκοπό την αποφυγή του σταδίου της απομόνωσης του καθαρού C60, ένα στάδιο το οποίο λόγω της χρήσης μεγάλης ποσότητας οργανικών διαλυτών επιβαρύνει το περιβάλλον. Τα εξευγενισμένα μικτά φουλερένια χρησιμοποιήθηκαν ως αντιδραστήριο σε γνωστές οργανικές αντιδράσεις αντί του καθαρού φουλερενίου C60 με στόχο την εύρεση μιας εναλλακτικής, χαμηλού κόστους μεθόδου για τη σύνθεση παραγώγων φουλερενίου. Η απομόνωση του C60 ή του C70 σε καθαρή μορφή χωρίς πρόσμικτα απαιτεί τη χρήση μεγάλων ποσοτήτων τολουολίου ή άλλων μη πολικών διαλυτών, επιβαρύνοντας το περιβάλλον και πολλαπλασιάζοντας το κόστος παραγωγής. Επιλέχθηκε η 1,3-διπολική κυκλοπροσθήκη υλιδίου της αζωμεθίνης σε φουλερένιο επειδή αυτή η αντίδραση είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες για την αύξηση της δραστικότητας του φουλερενίου, παράγοντας υλικό που παρουσιάζει φωτοεπαγωγική συμπεριφορά. Τα δεδομένα έδειξαν ότι η χρήση των φθηνότερων μικτών φουλερενίων αντί του καθαρού C60 οδηγεί στην απομόνωση των ίδιων αναμενόμενων προϊόντων με παρόμοιες αποδόσεις.Με μία νέα μέθοδο ενός βήματος παρήχθησαν λεπτά στρώματα νέων υβριδικών οργανικών-ανόργανων ημιαγωγών, που παρουσιάζουν φωτοαγώγιμες ιδιότητες. Τα λεπτά υμένια προκύπτουν από το συνδυασμό ενός ανόργανου ημιαγωγού CdTe με ένα κατάλληλο ελαφρώς υδατοδιαλυτό άλας φουλερενίου. Οι στιβάδες παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική καθοδικής ηλεκτροσυναπόθεσης από ένα ηλεκτρολυτικό λουτρό που περιείχε τόσο τα κατάλληλα ανόργανα όσο και τα οργανικά χημικά είδη. Η εφαρμοσμένη τεχνική ηλεκτροσυναπόθεσης θα μπορούσε να επιτρέψει την επίτευξη διαφόρων νέων υβριδικών υλικών με ενδιαφέρουσα ημιαγώγιμη συμπεριφορά, επιλέγοντας είτε τα κατάλληλα ανόργανα και οργανικά αντιδραστήρια είτε τις επιβαλλόμενες συνθήκες ηλεκτρόλυσης.Ανάμεσα στα διαφορετικά είδη νανοσωλήνων άνθρακα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι εμπλουτισμένοι με άζωτο νανοσωλήνες (CNx), λόγω της αυξημένης τους επιφανειακής δραστικότητας, που οφείλεται στην παρουσία ατόμων αζώτου στον σκελετό του σωλήνα. Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σύνθεση νανοσωλήνων άνθρακα είναι η χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Διατηρώντας τη βασική αρχή της μεθόδου αναλλοίωτη, έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές σύνθεσης νανοσωλήνων άνθρακα, οι οποίες διαφοροποιούνται ανάλογα με την επιλογή των ενώσεων που θα αποτελέσουν την πηγή άνθρακα και καταλύτη. Μια τέτοια τεχνική είναι η θερμόλυση στερεάς ουσίας, η οποία και μελετήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής, χρησιμοποιώντας διαφορετικές ουσίες με στόχο την βελτιστοποίηση της διεργασίας ανάπτυξης νανοσωλήνων άνθρακα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά συστήματα πηγών άνθρακα, αζώτου και καταλύτη και πιο συγκεκριμένα (i) το σύμπλοκο του νικελίου με διμεθυλογλυοξίμη και (ii) η μελαμίνη παρουσία φερροκενίου. Η τεχνική θερμόλυσης οργανομεταλλικής ένωσης ή μίγματος οργανικής - οργανομεταλλικής ένωσης οδήγησε στον επιτυχή σχηματισμό νανοσωλήνων άνθρακα. Συγκριτικά με τη θερμόλυση του συμπλόκου, η θερμόλυση του μίγματος μελαμίνης με φερροκένιο οδήγησε σε μεγαλύτερης διαμέτρου ομοιόμορφους και πιο ευθυγραμμισμένους νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι εμφανίζουν ελάχιστη ποσότητα άμορφου άνθρακα. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκε χημική τροποποίηση εμπλουτισμένων με άζωτο νανοσωλήνων άνθρακα μέσω αντιδράσεων αλκυλίωσης με μεθυλιωδίδιο και βενζυλοβρωμίδιο στα άτομα αζώτου του εξαγωνικού πλέγματος, με σκοπό την αύξηση της δραστικότητας των νανοσωλήνων. Η αύξηση της δραστικότητας των νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων επιτρέπει περαιτέρω προσθήκη κατάλληλων ενώσεων για πλήθος εφαρμογών.Τέλος, η διατριβή εστίασε σε αντιδράσεις σύνθεσης παραγώγων οξειδίου του γραφενίου, το οποίο παρήχθη με χημική αποφλοίωση του γραφίτη, και πιο συγκεκριμένα, με μια παραλλαγή της μεθόδου Hummers–Offeman, στην οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί εμπορικός γραφίτης.Έγιναν αντιδράσεις σύνθεσης παραγώγων οξειδίου του γραφενίου και μελέτη των φωτοηλεκτρικών ιδιοτήτων τους και πιο συγκεκριμένα, ηλεκτροσυναπόθεση τροποποιημένου οξειδίου του γραφενίου με βρωμιούχο κετυλοτριμεθυλαμμώνιο (CTAB), χρησιμοποιώντας ηλεκτρολυτικό κελί με αντιδρώντα που περιείχαν κατάλληλες ουσίες για την ηλεκτροσυναπόθεση χαλκογονιδίου, σεληνιούχο κάδμιο.Τμήμα της διατριβής αφορούσε στη σύνθεση νέων βιολογόνων υποκατεστημένων με βορονικό οξύ που περιέχουν φουλερένια. Τα φουλερένια παίζουν το ρόλο της πολύ ισχυρής ομάδας δέκτη ηλεκτρονίων, επηρεάζοντας την αλληλεπίδραση με τα είδη-στόχους (σε αυτή την περίπτωση οι μονοσακχαρίτες, οι οποίοι δεσμεύονται αναστρέψιμα με τη λειτουργική ομάδα βορονικού οξέος). Παρουσία του φθορίζοντος υδατοδιαλυτού είδους πυρανίνης, παρατηρείται ότι η ένταση φθορισμού του επηρεάζεται από την παρουσία μορίων μονοσακχαρίτη που συνδέονται με το βορονικό οξύ. Ως αποτέλεσμα, η συγκέντρωση μονοσακχαρίτη μπορεί εύκολα να ανιχνευθεί και να ποσοτικοποιηθεί μέσω του φθορισμού της πυρανίνης. Σε αυτό το παράρτημα διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα των βιολογόνων υποκατεστημένων με βορονικό οξύ στην ανίχνευση μονοσακχαριτών όπως η γαλακτόζη, η φρουκτόζη και η γλυκόζη.Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε σε ερευνητικό επίπεδο χωρίζεται σε δύο διακριτούς άξονες. Αρχικά αναπτύσσονται τα παραπάνω παράγωγα, τα οποία έπειτα χαρακτηρίζονται ως προς τις δομικές τους ιδιότητες. Στη συνέχεια ερευνώνται τεχνικές για την αξιοποίηση των παραγώγων αυτών σε γνωστές εφαρμογές, μελετώντας τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους.