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Synthese, Charakterisierung und chemoresistive Eigenschaften von Graphen und Graphenkompositen

Krauß, Peter :
Synthese, Charakterisierung und chemoresistive Eigenschaften von Graphen und Graphenkompositen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Dissertation - Peter Krauß - Text
Peter Krauß - Synthese, Charakterisierung und chemoresistive Eigenschaften von Graphen und Graphenkompositen.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Synthese, Charakterisierung und chemoresistive Eigenschaften von Graphen und Graphenkompositen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Funktionalisierung von Kohlenstoffnanomaterialien sowie deren Applikation als sensorisch aktive Schichten in Chemoresistoren. Den Schwerpunkt bilden mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestelltes Graphen und darauf aufbauende Kompositstrukturen mit Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhren. In einem weiteren Teil der Arbeit werden amorphe Kohlenstoffnanofasern synthetisiert und ebenfalls in Sensoren zur Detektion toxischer Gase eingesetzt.

Das auf Kupferfolie synthetisierte Graphen wird über einen modifizierten Transferprozess, der auf dem chemischen Ätzen des metallischen Katalysators beruht, transferiert. Die Kombination aus einer Polymerumrandung und einer angepassten Ätzkammer ermöglicht das Abscheiden der Kohlenstoffschicht frei von Kontaminationen und ohne notwendige Nachbehandlungen. Die Charakterisierungsmethoden bestätigen die erfolgreiche Synthese und den Transfer einer kontinuierlichen Monolage mit lokalen Bereichen zusätzlicher Schichten. Dieses weniglagige quasi-Graphen wird sowohl kovalent in einem Radiofrequenzplasma als auch durch die Adsorption von Nanopartikeln funktionalisiert. Die Behandlung im Kohlenstoffdioxidplasma resultiert in Hydroxy-, Epoxy-, Carbonyl- und Carboxylgruppen an der Monolage vergleichbar mit einer Funktionalisierung im Sauerstoffplasma. Eisenoxidnanopartikel werden während des Transfers durch das chemische Ätzen der Kupferfolie mit salzsauren Lösungen aus Eisen(III)-chlorid erzeugt und adsorbieren dabei an die Kohlenstoffschicht. Die Variation verschiedener Parameter des Ätzprozesses ermöglicht das Anpassen der Anzahl und geringfügig auch der Größe der Partikel. Die abgeschiedenen Eisenoxidnanopartikel werden als Katalysator für die Synthese von Kohlenstoffnanoröhren an quasi-Graphen eingesetzt. Zusätzlich wird eine Funktionalisierung der Kohlenstoffschicht mit Goldnanopartikeln aus wässriger Lösung demonstriert.

Unter Anwendung des modifizierten Transferprozesses werden Chemoresistoren aus diskontinuierlichem, zweilagigem quasi-Graphen hergestellt. Die mit Defekten behaftete Struktur weist eine hohe sensorische Rückmeldung bei der Exposition mit Stickstoffdioxid, Ammoniak und Schwefeldioxid auf. Eine Funktionalisierung des Chemoresistors im Kohlenstoffdioxidplasma resultiert in einer gesteigerten Selektivität für Ammoniak, während sich das Abscheiden von Eisenoxidnanopartikeln negativ auf die Detektion der untersuchten Gase auswirkt. Durch das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren an den Partikeln steigt die sensorische Rückmeldung bei einer Temperatur von 200 °C wieder an und übertrifft für geringe Anteile an Ammoniak sogar die Werte des unbehandelten Chemoresistors.

In einem weiteren Abschnitt werden Kohlenstoffnanofasern über die thermische Zersetzung des polyzyklischen, aromatischen Kohlenwasserstoffs 5,6;11,12-Di-o-phenylentetracen hergestellt. Das effizienteste Wachstum eines Netzwerks aus Fasern wird an Nanopartikeln aus Platin/Palladium erzielt, die sich bei hohen Temperaturen aus einer abgeschiedenen Schicht bilden. Die amorphen Fasern werden als sensorisch aktives Material in Chemoresistoren eingesetzt, wobei die Synthese direkt auf dem Sensorsubstrat erfolgt. Während die resistiven Gassensoren eine hohe Rückmeldung bei der Exposition mit Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid aufweisen, ist die Sensitivität bezüglich der Detektion von Ammoniak unter identischen Parametern vernachlässigbar gering.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis addresses the synthesis and functionalization of carbon-based nanomaterials as well as their application in chemiresistive gas sensors. The main part of this work focuses on graphene, which is synthesized by chemical vapor deposition method, and graphene-based composite structures with nanoparticles and carbon nanotubes. In an additional section, carbon nanofibers are synthesized on various substrates and also applied in chemiresistors for the detection of toxic gases. As-synthesized graphene on copper foil is transferred using a modified process in which the standard protective polymer layer covering graphene is replaced by a non-contaminating polymer frame. In combination with a custom-built etching chamber, graphene is transferred free of contamination, without the need for any additional post-processing. Characterization by different methods confirm the successful synthesis and transfer of a continuous monolayer with isolated areas of few additional layers on top. This quasi-graphene is functionalized using covalent and non-covalent approaches. Carbon dioxide radio frequency plasma treatments are applied in order to create hydroxy, epoxy, carbonyl and carboxyl functional groups on the atomic layer. Composite structures of quasi-graphene and nano-particles are generated by a further modified transfer process. Iron oxide nanoparticles are synthesized and deposited on the atomic layer by using hydrochloric solutions of iron(III) chloride as an etchant for copper foil. By adjusting the parameters of the etching process, the quantity as well as the size of the nanoparticles can be selectively altered. Additionally, the adsorbed iron oxide nanoparticles are used as catalyst for the synthesis of carbon nanotubes at quasi-graphene. Beside iron oxide, the functionalization of quasi-graphene with gold nanoparticles in aqueous solution is also demonstrated. Discontinuous bilayer quasi-graphene chemiresistors are fabricated by applying the modified transfer process. The rough surface of the sensor substrate is utilized to rupture the unprotected, continuous monolayer into separated fragments of graphene. By repeating the transfer with a second layer, a highly defective, mesh-like structure is created. As-prepared chemiresistors show a strong sensoric response upon exposure to nitrogen dioxide, ammonia and sulfur dioxide. Additional functionalization in carbon dioxide plasma results in an increased selectivity for ammonia, whereas the deposition of iron oxide nanoparticles has a negative effect on the general performance of the sensor. However, by growing a random network of carbon nanotubes on top, the response improves at 200 °C and shows slightly better results at low concentrations of ammonia. In an additional chapter, carbon nanofibers are synthesized by thermal decomposition of the polycyclic aromatic hydrocarbon 5,6;11,12-di-o-phenylenetetracene. The most promising results are observed for sputtered layers of platinum/palladium. At high temperatures platinum/palladium nanoparticles are formed, which catalyze the growth of a network of amorphous carbon nanofibers. These fibers are used as sensitive material in chemiresistors by direct synthesis on the sensor substrate. As-prepared gas sensors show good response to nitrogen dioxide and sulfur dioxide, whereas the sensitivity towards ammonia is negligible.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Anorganische Chemie
Date Deposited: 22 Sep 2017 10:29
Last Modified: 22 Sep 2017 10:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68150
Referees: Schneider, Prof. Dr. Jörg J. and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 3 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6815
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