Jednym z największych współczesnych wyzwań w badaniach nad materiałami węglowymi jest precyzyjna funkcjonalizacja powierzchni w kierunku potencjalnych zastosowań. W niniejszej pracy doktorskiej przeprowadzono systematyczne badania nad kontrolowaną modyfikacją powierzchni węglowych (grafit, materiały grafenowe, wielościenne nanorurki węglowe) przy użyciu plazmy tlenowej. Szczegółowa charakterystyka fizykochemiczna otrzymanych materiałów obejmowała szereg metod eksperymentalnych (XRD, RS, TGA, SEM, TEM, XPS, LDI-MS, SIMS, pomiary pracy wyjścia i kąta zwilżania wody). Interpretacja wyników eksperymentalnych została wsparta modelowaniem molekularnym (DFT). Wykazano, że optymalizacja parametrów plazmy (czas ekspozycji, ciśnienie parcjalne gazu, moc plazmy) pozwala na selektywną funkcjonalizację powierzchni i kontrolowanie ilości wprowadzonego tlenu powierzchniowego. Powstałe polarne tlenowe grupy funkcyjne w znaczący sposób wpływają na właściwości powierzchniowe materiałów węglowych. Funkcjonalizacja plazmą pozwoliła na obniżenie kąta zwilżania nawet o 80°, a także zwiększenie pracy wyjścia o 1.6 eV. Przeprowadzone badania wykazały, że praca wyjścia jest najczulszym parametrem na zmiany stanu powierzchni. Parametr ten jest bezpośrednio związany z ilością i stabilnością wprowadzonych grup funkcyjnych, zwilżalnością oraz stopniem modyfikacji (funkcjonalizacja lub amorfizacja). Właściwości powierzchniowe biomateriałów węglowych, w szczególności jej zwilżalność oraz praca wyjścia, determinują oddziaływanie z bakteriami. Mają one również znaczący wpływ na aktywność elektrokatalizatorów w reakcji redukcji tlenu, będącej podstawą działania ogniw paliwowych. W pracy wykazano, że praca wyjścia materiałów grafenowych powinna być redukowana w celu zminimalizowania ryzyka infekcji bakteryjnych. Ponadto, praca wyjścia katalizatorów platynowych osadzonych na nośnikach węglowych jest bezpośrednio skorelowana z ich aktywnością w reakcji redukcji tlenu, a funkcjonalizacja nośników węglowych plazmą tlenową, zmieniając mechanizm reakcji ułatwia redukcję tlenu do wody. Dodatkowo, wprowadzone tlenowe grupy funkcyjne polepszają jakość przygotowywanych filmów węglowych na powierzchni elektrod. Zrealizowane w pracy doktorskiej interdyscyplinarne badania łączące prace eksperymentalne i teoretyczne, przyczyniły się do pogłębienia fundamentalnej wiedzy w zakresie funkcjonalizacji materiałów węglowych przy użyciu plazmy tlenowej. Otrzymane korelacje pomiędzy składem, strukturą a właściwościami materiałów węglowych stanowią racjonale przesłanki do projektowania funkcjonalnych powierzchni do zastosowań biologicznych i elektrokatalitycznych.

One of the key challenges in the current carbon materials science is fine-tuning of the surface properties toward the specific applications. In this PhD thesis, the systematic studies on the precisely controlled surface functionalization of carbon materials (graphite, graphenic sheets, nanotubes) via plasma treatment have been performed. The materials were thoroughly characterized by a wide range of experimental techniques (XRD, RS, TGA, SEM, TEM, XPS, LDI-MS, SIMS, work function, and water contact angle measurements). The obtained experimental results were supported by DFT calculations. It was found that the adjustment of plasma parameters (power, pressure, modification time) led to the modification of only the outermost surface region with the desired concentration of surface oxygen. As a result, surface features were significantly affected by the formation of polar groups. Indeed, the water contact angle decreased even by 80°, whereas the work function increased by 1.6 eV. The work function was found to be the most sensitive parameter for monitoring surface changes, directly correlated with the number and stability of introduced oxygen-containing species, wettability as well as modification degree (functionalization vs. amorphization). The carbon surface chemistry, particularly wettability and electrodonor properties, affects the interaction of biomaterials surfaces with bacteria and the activity of electrocatalysts for oxygen reduction reaction (fuel cells). It was showed that to prevent bacterial infection risk, the work function lowering is essential. Moreover, the Pt-containing carbon-based catalysts with lower work function exhibited improved electrochemical parameters in the reduction of oxygen. Oxygen plasma functionalization of carbon supports facilitated the direct reduction of oxygen to water and electrode manufacturing. To conclude, the proposed interdisciplinary experimental and theoretical approaches provide new, fundamental knowledge in the field of oxygen plasma functionalization of carbon materials. The obtained functional correlations between the surface composition, structure, and properties of carbon materials may be utilized for the rational development of materials for their high performance in electrocatalytic and biological applications.