"Ab initio" studium směsných oxidů Sn-Ce-O

Student: Michal Fečík
Vedoucí: Mgr. Lucie Szabová
Konzultant: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc.
Stav práce: obhájená

Abstrakt:

Oxidy ceru nacházejí stále častěji uplatnění zejména v heterogenní katalýze díky své schopnosti přijímat a odevzdávat kyslík prostřednictvím oxidace a redukce. Katalytické schopnosti oxidu ceru lze zvýšit dopováním různými kovy. V rámci Skupiny fyziky povrchů na KFPP byly studovány systémy Sn-Ce-O fotoemisními experimentálními metodami. Při těchto experimentech byl pozorován vliv Sn na valenční stav ceru, který vykazoval silnější redukci.

Pochopení funkce heterogenních katalyzátorů vyžaduje poměrně přesné kvantově mechanické výpočty. Záměrem této práce je použít kvantově mechanickou ab initio metodu DFT k výpočtům strukturních a elektronických vlastností směsných oxidů Sn-Ce-O. Kohnovy-Shamovy rovnice budou řešeny pomocí rovinných vln a interakce valenčních elektronů s ionty bude vyjádřena pomocí pseudopotenciálů. Geometrie fyzikálních systémů bude popisována pomocí metody superbuněk. Prvním krokem bude výpočet objemových a povrchových vlastností oxidů ceru a cínu. Cílem práce bude vypočítat vlastnosti systému se substitučním Sn defektem v objemovém oxidu CeO₂ a vyhodnotit vliv Sn příměsi na vlastnosti oxidu ceru.

Zásady pro vypracování:
1) Seznámení se současným stavem problematiky a experimentálními výsledky studia systémů Sn-Ce-O metodou PES a DFT
2) Studium teoretických základů metody DFT
3) Výpočet objemových vlastností oxidů Sn-O a Ce-O metodou DFT - mřížková konstanta, objemový modul pružnosti
4) Výpočet substitučního defektu (atom Sn) v objemovém CeO₂, vyhodnocení elektronických a strukturních vlastností

Literatura:
1) Martin, R. M.: Electronic Structure. Cambridge University Press, Cambridge (2004).
2) N.W. Ashcroft and N.D. Mermin: Solid State Physics. Holt, Rhinehart, and Winston (1976).
3) Články v odborných časopisech podle dohody studenta s vedoucím práce.

The structural and electronic properties of Sn-Ce-O mixed oxides as well as their chemical reactivity towards reduction and oxidation reactions important in catalytic applications will be studied by means of first-principles calculations based on the Density Functional Theory. The Kohn-Sham equations will be solved by using a plane-wave pseudo-potential approach while the geometry of the physical systems will be modeled with the periodic supercell method. In the first stage we will explore properties of bulk Sn and Ce oxides and oxide surfaces. Next, we will consider substitutional point defect – Sn atom in CeO₂ bulk and explore the changes in electronic and structural properties due to doping ceria with Sn.

Tasks:
1. Study of literature of experimental and theoretical results on subject of Sn-Ce-O mixed oxides (experiment – PES method, theory – DFT method)
2. Study of basics of DFT method
3. DFT calculations of bulk properties of Sn-O and Ce-O materials - lattice constant, bulk modulus
4. DFT calculation of substitutional Sn point defect in bulk CeO2, evaluation of electronic and structural properties