Alkali on the surfaces of carbon materials

W trakcie realizacji pracy badano bezpośrednie oddziaływanie pierwiastków alkalicznych z materiałami węglowymi – sadzą (Printex U), grafitem, wielościennymi nanorurkami węglowymi (MWCNTs) i fulerenem C¬60. Zastosowano dwie metody dotacji - wodnymi roztworami K2CO3 oraz z roztworu kompleksu M-fenantren/THF (M – K, Na). Otrzymane próbki scharakteryzowano pod względem procentowej zawartości pierwiastka alkalicznego (XRF), zmian strukturalnych (XRD, spektroskopia Ramana), właściwości powierzchniowych (pomiar pracy wyjścia, Φ, metodą Kelvina oraz termicznej desorpcji atomów K metodą SR-TAD), a także stabilności termicznej (TGA/DTA). Niezależnie od metody depozycji, obecność pierwiastków alkalicznych wpływa na obniżenie stabilności termicznej materiałów węglowych. Tylko dotacja z roztworów organicznych prowadzi do obniżenia ich pracy wyjścia, któremu towarzyszy większy spadek temperatury spalania (T10%, T50%, T100%) w porównaniu z dotacją roztworu wodnego. Największe zmiany wykazuje próbka Printex U 7%K: ΔΦ = -0,6 eV, ΔT = 300°C. Porównanie wyników otrzymanych dla dotacji sodem i potasem wykazuje, że w wyniku lepszej dyspersji Na ma większy wpływ na powyższe właściwości. Dodatkowo, stwierdzono, że zwiększeniu energii aktywacji desorpcji atomów potasu z powierzchni sadzy towarzyszy obniżenie jej stabilności termicznej.

Direct interaction of alkali promoter with four carbon materials (soot Printex U, graphite, multiwalled carbon nanotubes and fullerene C60) was investigated. Two methods of alkali donation were used – deposition from aqueous solutions of K2CO3 and from complex M-phenanthrene in THF (M – K, Na). Prepared samples were characterized by bulk (XRF, XRD, Raman spectroscopy) and surface sensitive methods (work function, Φ and thermal stability of potassium). The thermal stability of the samples in the oxidative atmosphere was tested by TGA/DTA. Regardless of the method of deposition, the presence of alkali metals results in the thermal stability decrease. Additionally, the work function decrease was observed for the samples prepared by alkali donation from organic solutions. It was established that the lower Φ, the lower the temperature of the soot combustion. The greatest changes were observed for Printex U 7%K sample: ΔΦ = -0.6 eV, ΔT = 300°C. Comparison of the results obtained for different alkali metals (K, Na) shows that sodium has greater impact on these properties, because of its higher dispersion. It was also found that high desorption activation energies of potassium atoms from the surface of the soot is accompanied by its low thermal stability. To sum up, the direct interaction of alkali metals with the surface greatly reduces the temperature of combustion of soot.