Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat bakalářských prací pro šk. rok 2023/2024

zobrazit předchozí rok (2022/2023), další rok (2024/2025)

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2023/2024 následující témata bakalářských prací.

Zápis Zájemce prosíme, aby se zapisovali v sekretariátu KFPP ve 2. patře KO Troja.

Práce pro zaměření Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí (OF)

Laserem vyvolaný fotodetachment aniontů zachycených v nízkoteplotní pasti
Laser photodetachment of anions trapped in a low-temperature trap


Vedoucí: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D. - A025, A024, tel. 2224, 2237
Konzultant: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.

Anotace:

Výzkum interakcí iontů a molekul za nízkých teplot je důležitý pro pochopení procesů v mezihvězdném prostoru. Při zmíněných reakcích mohou vznikat zajímavé složitější molekuly včetně organických. V naší laboratoři používáme iontovou past zchlazenou až na 10 K pro výzkum široké škály ion-molekulových reakcí. Pro dosažení ještě větší citlivosti aparatury chceme studovat rozložení velkého množství iontů v pasti za co nejnižších teplot. K tomu využijeme laser, jehož záření způsobí odtržení elektronů od aniontů zachycených v pasti.

Zásady pro vypracování

  1. Seznámení se s experimentální aparaturou a laserovým systémem.
  2. Příprava řízení pohyblivých zrcadel pro nastavení laserového svazku.
  3. Účast na měření fotodetachmentu v iontové pasti.

Seznam odborné literatury

Vznik a reakce záporných molekulárních iontů za nízkých teplot
Formation and reactions of negative molecular ions at low temperatures


Vedoucí: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D. - A025, A024, tel. 2224, 2237
Konzultant: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.

Anotace:

V roce 2006, byly pozorovány první záporné ionty v mezihvězdném prostoru, kde se podílejí na vývoji chemického složení oblak chladného plynu. Jejich reakce však ještě nejsou dobře prostudovány. V naší pražské laboratoři je dostupná unikátní aparatura s 22 pólovou radiofrekvenční iontovou pastí, kterou je možno zchladit na 10 K. Tato sestava umožňuje experimenty v podmínkách vhodných ke studiu reakcí relevantních pro astrofyziku chladných oblaků plynů v mezihvězdném prostoru.

Studovány budou procesy formování molekulárních aniontů v širokém rozsahu teplot od desítek kelvinů do 300 K. Zaměříme se na formování aniontu OH–. Student se zapojí do experimentální práce v kolektivu dalších výzkumníků. Řešené téma je podporováno z několika grantů.

Zásady pro vypracování

  1. Seznámení se s experimentální aparaturou.
  2. Rešerše reakce formování konkrétního aniontu za nízkých teplot.
  3. Účast na měření a vyhodnocení získaných dat.

Seznam odborné literatury

Millar T.J. et al., “Negative Ions in Space.” Chemical Reviews 117 (2017) 1765–95. Smith I.W.M., Low temperatures and cold molecules, World Scientific Publishing, Singapore 2008, ISBN 978-1-84816-209-9. Ghosh P.K., Ion Traps, Clarendon Press, Oxford 1995, ISBN 978-0198539957.

(Polo)automatická analýza hmotových spekter v ultra-vysokém vakuu
(Semi)automatic mass spectra analysis in ultra high vacuum


Vedoucí: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D. - A133, tel. 2333

Anotace:

Účelem hmotové spektrometrie je identifikace a kvantifikace molekul na základě jejich atomové hmotnosti. K analýze zředěných plynů, typické pro výzkum ve vakuových podmínkách, se nejčastěji používá kvadrupólový hmotový spektrometr (QMS). Typické spektrum QMS však kromě signálu původních molekul obsahuje i příspěvky jejich fragmentů, které vznikají při procesu ionizace původně neutrálních molekul. Výsledné spektrum je tedy konvolucí skutečného složení měřené směsi plynů s jejich fragmentačními vzorci. Intenzity jednotlivých peaků ve spektru se navíc běžně liší i o několik řádů, v úvahu je také potřeba vzít omezený rozsah měřených hmot a šum i offset přítomný v měřeném signálu.

Analýza hmotových spekter a jejich kvantitativní zpracování proto můžou být časově náročné procesy, vyžadující příslušný matematický aparát. Výrazné usnadnění a jednoznačnější interpretaci a kvantifikaci QMS dat může přinést sotware, který bere v úvahu výše zmíněné efekty a s minimem potřebných uživatelských vstupů dokáže zpracovat hmotová spektra nebo jejich časový vývoj a realisticky vyhodnotit míru spolehlivosti výstupu. K tomu je potřeba implementovat vhodné algoritmické postupy, případně částečně využít existujících nedávno vyvinutých rutin (viz seznam literatury) a dát jim podobu uživatelsky přístupného software, neboť zpracování bude muset být zřejmě poloautomatické (tj. s částečným vstupem ze strany uživatele), nikoliv plně automatické.

Tato práce je zaměřena spíše teoreticky, ale k jejímu zvládnutí je potřeba získat i praktické zkušenosti s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií a ultravysokým vakuem. Kromě zpracování již existujících spekter bude součástí práce také změření spekter vlastních a případné otestování vyvinuté metody na běžícím experimentu.

Hmotové spektrum plynů vystupujících z metanolového palivového článku pro dvě různé zatížení. Některé peaky jsou označeny vzorcemi molekul, které k nim přispívají.

Zásady pro vypracování:

1. Seznámení se se specifiky ultravysokého vakua, metodami jeho získávání a měření, především s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií (QMS). 2. Studium metod zpracování hmotových spekter. 3. Návrh a vývoj software pro analýzu hmotových spekter. 4. Ověření funkčnosti a robustnosti analytického systému na reálných datech, včetně dat získaných z vlastních měření. Reálné využití ke zpracování dat z vybraného experimentu.

Literatura:

[1] F.A. White and G.M. Wood, Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); H. P. Dawson (Ed.), Quadrupole Mass Spectrometry and its Applications; Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam-Oxford-New York (1976) [2] B. Jenninger et al.: Simulation and iterative deconvolution of residual gas spectra, Vacuum 183, 2021, 109876 [3] F. Mateo et al.: Automatic mass spectra recognition for Ultra High Vacuum systems using multilabel classification, Expert Systems with Applications 178, 2021, 114959 [4] C. Flores-Garrigós et al.: Reconstruction of Ultra-High Vacuum Mass Spectra Using Genetic Algorithms, Appl. Sci. 2021, 11, 11754 [5] Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.

Studium reakcí na tenkovstvých katalyzátorech vibrační a hmotovou spektroskopií
Study of reactions on thin-film catalysts by means of vibrational and mass spectroscopy


Vedoucí: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D. - A133, tel. 2333

Anotace:

Materiály ve formě deponovaných tenkých vrstev s dobře definovanou strukturou nachází uplatnění v celé řadě oborů jako základ elektronických prvků, fotovoltaiky, katalyzátorů, detektorů plymů, ochranných vrstev, nebo supravodičů. V případě využití v heterogenní katalýze jsou podstatné souvislosti mezi fyzickou strukturou a složením materiálu, vzájemnou elektronickou interakcí jeho jednotlivých složek a interakcí povrchu s okolními molekulami. Podrobné znalosti tohoto typu jsou typicky získávány prostřednictvím kombinace tzv. modelových experimentálních studií a teoretických výpočtů. Potřebnou vazbu mezi zjištěnými elementárními jevy a skutečným chováním reálných systémů pracujících v méně ideálních a hůře definovaných podmínkách pak můžou zprostředkovat tzv. operando metody. Tyto metody dovolují pozorovat reakce přímo v jejich průběhu za kontrolovaných realistických podmínek na stále ještě poměrně dobře definovaných površích.

Předmětem této práce bude primárně využití kombinace infračervené vibrační spektroskopie (RAIRS) a hmotnostní spektrometrie (QMS) ke sledování průběhu chemických reakcí na heterogenní katalyzátorech založených na kombinaci přechodových kovů (příp. jejich slitin) a tzv. reducibilních oxidů. Konkrétní typ vzorků a studovaných reakcí budou aktuálně vybrány v návaznosti na probíhající výzkum ve skupině fyziky povrchů. Měření reaktivity dle potřeby doplní charakterizace vzorků pomocí prvkové a chemické analýzy (metodou rentgenové fotoelektronové spektroskopie, XPS) a rastrovací elektronové mikroskopie (SEM).

V případě zájmu uchazeče se počítá s možností pokračovat na projektu v rámci navazující diplomové práce.

Absorpčně-vibrační IR spektrum tenké vrstvy dextranu na naprašované vrstvě oxidu ceru (vyvíjené pro biomedicinské účely) po částečné tepelné dekompozici.

Zásady pro vypracování:

1. Zvládnutí experimentálních metod RAIRS a QMS, seznámení se základy metod XPS a SEM. 2. Příprava tenkovrsvých vzorků fyzikálními metodami. 3. Měření adsorpce a reakce vybraných molekul na připravených vzorcích kombinací metod RAIRS a QMS. 4. Zpracování experimentálních dat

Literatura:

[1] Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany (2008) [2] F.A. White and G.M. Wood, Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis: An Introduction, John Wiley & Sons (2000) [3] Y. J. Chabal, Surface Infrared Spectroscopy, Surface Science Reports 8 (1988) 211-357; M. Trenary, Reflection Absorption Infrared Spectroscopy and the Structure of Molecular Adsorbates on Metal Surfaces, Annu. Rev. Phys. Chem. 51 (2000) 381–403 [4] Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.

Návrh a testování elektrochemické cely pro charakterizaci katalytických tenkých vrstev
Design and testing of electrochemical cell for thin film catalyst characterization


Vedoucí: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.
Konzultant: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D. - A145, L067, tel. 2733, 2763

Anotace:

Palivové články s polymerní membránou (PEMFC) patří mezi nejslibnější zdroje čisté energie. Kromě aktivity a nákladů je životnost katalyzátoru použitého v PEMFC považována za jeden z klíčových problémů jeho úspěšné komercializace. Testování katalyzátoru ve skutečných palivových článcích je však časově náročné a vyžaduje velké množství materiálu. Proto pro testování stability katalyzátoru byly vyvinuty takzvané akcelerované zátěžové testy (AST), které využívají potenciodynamické cyklování v elektrolytu uvnitř elektrochemické cely. Elektrochemická cela se skládá ze tří elektrod: pracovní elektrody (WE), pomocné elektrody (CE) a referenční elektrody (RE) ponořené do elektrolytu. Klíčovou složkou takového sestavení je WE, na kterou se nanáší katalyzátor a na které dochází ke sledované reakci. Komerční elektrochemická cela používá jako WE sklovitý uhlík ve tvaru vysokého válečku/tyčky, což komplikuje charakterizaci katalyzátoru na jejím povrchu před a po AST pomocí běžných spektroskopických a mikroskopických technik kvůli jejich nekompatibilitě se vzorkem tyčkovitého tvaru. Vývoj spolehlivé, přenosné a snadno použitelné elektrochemické cely využívající ploché pracovní elektrody je tedy zásadní.

Tato práce se zaměří na vývoj speciální elektrochemické cely vhodné pro charakterizaci tenkovrstvého katalyzátoru nanášeného na plochou elektrodu pomocí magnetronového naprašování. Spolehlivost takové cely bude testována na bimetalických slitinch na bázi Pt, které mají v současnosti nejvyšší potenciál jako katalyzátor pro PEMFC. Morfologie a složení katalyzátorů budou monitorovány skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) a energeticky disperzní rentgenovou spektroskopií (EDX) před a po AST.

Cílem práce je navrhnout, vyrobit a otestovat elektrochemickou celu pro charakterizaci tenkovrstvých katalyzátorů.

Zásady pro vypracování:

  1. Rešerše literatury.
  2. Návrh a výroba elektrochemické cely.
  3. Příprava tenkých vrstev bimetalických katalyzátorů magnetronovým naprašováním.
  4. Studium morfologie a složení připravených vrstev před a po AST v elektrochemické cele
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání bakalářské práce.

Literatura:

  1. Handbook of fuel cells: Fundamentals, technology, applications, W. Vielstich, A. Lamm, H.A. Gasteiger, Wiley 2003, ISBN: 978-0-471-49926-8
  2. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd Edition, A.J. Bard, L.R. Faulkner, Wiley 2001, ISBN: 978-0-471-04372-0

Studium interakce vodní páry s Ru/CeO2 katalyzátorem
Study of the interaction of water vapor with a Ru/CeO2 catalyst


Vedoucí: Michael Vorochta, Ph.D.

Anotace:
Navrhovaná práce bude zaměřena na studium vlivu vodní páry na chemicky stav katalyzátoru na bázi oxidu ceru dopovaného rutheniem, a její vliv na aktivitu katalyzátoru vůči oxidaci propanu. Studium se bude provádět na modelových katalyzátorech. Tenkovrstvé modelové katalyzátory se budou připravovat napařováním tenkých vrstev oxidu ceru s následovnou depozicí malého množství kovového ruthenia, a se budou hlavně studovat metodou vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS), která umožňuje získání kompletní informace o chemickém stavu povrchu katalyzátoru a meziproduktech chemické reakce vyskytující se na povrchu katalyzátoru přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám. Získané informace pomohou pochopit mechanizmy a cesty, kterými probíhá daná chemická reakce a jaký je vliv vodní páry, a v důsledku by měly vést ke zjištění způsobu přípravy a složení katalyzátoru s maximálním účinkem pro eliminaci nebezpečných těkavých organických látek (VOC) ze spalin.

Zásady pro vypracování:

  1. Seznámit se s vysokotlakou rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (NAP-XPS). Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v celé České republice, na světě jich funguje pouze několik desítek.
  2. Prostudovat doporučenou literaturu týkající se problematiky studované ve vypsané práci.
  3. Růst tenkých vrstev oxidu ceru definované orientaci na povrchu monokrystalů Pt(111) s následovnou depozicí malého množství Ru.
  4. Studium vlivu vodní páry na reakce oxidace propanu na modelovém katalyzátoru na bázi oxidu ceru metodou NAP-XPS.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsaní bakalářské práce.

Seznam odborné literatury

  1. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England, 1990. (Rentgenová fotoelektronová spektroskopie), ISBN 0471 92081 9.
  2. M. Salmeron and R. Schlogl, Ambient pressure photoelectron spectroscopy: A new tool for surface science and nanotechnology, Surf. Sci. Rep. 63, 169–199, 2008
  3. Odborné články podle doporučení vedoucího práce.