Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat diplomových prací pro šk. rok 2020/2021

zobrazit předchozí rok (2019/2020), další rok (2021/2022)

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2020/2021 následující témata diplomových prací.

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

Práce pro obor Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí

Pracovní skupina fyziky plazmatu a modelování

Pracovní skupina fyziky povrchů

Pracovní skupina fyziky tenkých vrstev

Pracovní skupina nanomateriálů


Spektroskopie chladných iontů s využitím laserem indukované reakce
Spectroscopy of cold ions using laser induced reaction


Vedoucí: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D. - A025, A024, tel. 2224, 2237
Konzultant: Mgr. Petr Dohnal, Ph.D.

Anotace:

Při zkoumání elementárních procesů v plazmatu jsou hojně využívány spektroskopické metody. V naší laboratoři zkoumáme reakce iontů zachycených v radiofrekvenční pasti při nízkých teplotách od 10 K do 300 K. Zastoupení jednotlivých kvantových stavů, ve kterých se ionty nacházejí, můžeme zjistit metodou laserem indukované reakce. Při ní se ionty zachycené v rf pasti excitují laserovým světlem, což umožní reakci s dalšími reaktanty. Student se seznámí s moderní vakuovou technikou, problematikou iont-molekulových reakcí za nízkých teplot, ovládáním diodového laseru a analýzou dat v prostředí LabVIEW.

Zásady pro zpracování:
1) Seznámení se s experimentální aparaturou.
2) Nalezení absorpčních čar vhodných pro využití metody laserem indukované reakce.
3) Určení kinetické a rotační teploty zachycených iontů a studium jejich reakcí.

Seznam odborné literatury:
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.
Schlemmer S. and Asvany O., Laser Induced Reactions in a 22-Pole Ion Trap, Journal of Physics: Conference Series 4, 134 (2005), doi:10.1088/1742-6596/4/1/018.
Další časopisecká literatura podle dohody s vedoucím práce.


Nanostrukturované kovové substráty pro modelovou elektrokatalýzu
Nanostructured metal substrates for model electrocatalysis


Vedoucí: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D. - A133, tel. 2333
Konzultant: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D. - A133, tel. 2333

Anotace:

Katalyzované elektrochemické procesy mají potenciál stát se klíčovou složkou technologií pro využití obnovitelných zdrojů v energetice a chemické produkci [1]. V současné době se proto bouřlivě rozvíjejí tzv. modelové elektrokatalytické studie, které cílí na porozumění elektrokatalytickým procesům na atomární úrovni [2]. Základem modelových studií jsou vzorky elektrokatalyzátorů, u kterých je jejich chemické složení a morfologie kontrolovaná až na atomární úrovni.

Cílem vypisované diplomové práce je příprava čistých kovových povrchů katalyticky aktivních kovů (Pt, Pd, Rh) s kontrolovanou koncentrací a strukturou morfologických defektů – monoatomárních schodů. Tohoto je možné dosáhnout pomocí iontové eroze, která umožňuje kontrolu množství odebíraného materiálu s přesností na zlomky monovrstvy [3,4]. U vzorků s různou hustotou defektů bude poté sledován vliv koncentrace defektů na elektrochemickou aktivitu vzorků.

Obrázek: Povrch Pt(111) utvářený iontovou erozí. Rastrovací tunelová mikroskopie (STM), 330 x 330 nm2.

Cíle práce:

Práce bude probíhat v laboratořích skupiny fyziky povrchů KFPP. Práce je součástí mezinárodního výzkumného projektu zaměřeného na modelové elektrokatakyzátory kov-oxid [2].

Literatura:


Kinetické Monte Carlo modely nanočástic v přítomnosti povrchových defektů
Kinetic Monte Carlo simulations of nanoparticles in the presence of surface defects


Vedoucí: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D. - A133, tel. 2333
Konzultant: Doc. RNDr. Pavel Kocán, Ph.D. - A330, A327, A332, tel. 2349, 2342, 2346

Anotace:

Heterogenní katalyzátory energeticky významných chemických reakcí mají často formu kovových nanočástic na povrchu oxidu. Rozhodující pro reaktivitu v konkrétní reakci je velikost nanočástic, která se v praxi kontroluje převážně pomocí teplotních a chemických cyklů [1]. Ukazuje se, že klíčový vliv na velikost nanočástic má přítomnost morfologických defektů na povrchu oxidu.

Cílem vypisované diplomové práce je charakterizace kinetického Monte Carlo modelu nukleace kovových nanočástic na substrátech, které obsahují bodové nebo lineární poruchy.

Bodové nebo lineární poruchy substrátu ovlivňují povrchovou difuzi deponovaného kovu a následnou nukleaci nanočástic. Kinetické Monte Carlo modely nukleace jsou standardním a silným nástrojem aplikovaným dosud převážně na idealizované substráty bez defektů. Navrhované zobecnění této techniky má potenciálně velkou důležitost pro porozumění nukleace a stability kovových nanočástic v reálných aplikacích.

Práce bude probíhat ve skupině fyziky povrchů KFPP. Práce je součástí mezinárodního výzkumného projektu zaměřeného na modelové elektrokatakyzátory kov-oxid [4].

Cíle práce:

  1. Seznámení se s metodou výpočtů Monte Carlo ve fyzice tenkých vrstev [2,3]
  2. Seznámení se s Monte Carlo modelem nukleace v přítomnosti povrchových defektů
  3. Studium vlastností simulovaných nanočástic – hustota, velikost, stabilita – v závislosti na vlastnostech povrchových defektů
  4. Vyhodnocení a prezentace získaných dat
Obrázek: Kinetická Monte Carlo simulace nukleace kovových částic na povrchu s lineárními defekty.

Literatura:


Reakce na nanokatalyzátorech kov-oxid za realistických podmínek
Reactions on metal-oxide nanocatalysts under realistic conditions


Vedoucí: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D. - A133, tel. 2333
Konzultant: Doc. RNDr. Václav Nehasil, Dr. - A134, A141, tel. 2776, 2751

Anotace:

Ve skupině fyziky povrchů se v současné době řeší řada aktuálních témat spojených s heterogenní katalýzou průmyslově i environmentálně důležitých reakcí, např. oxidace CO a alkoholů, WGS reakce, parní reformování uhlovodíků, elektrolýza vody apod. Informace získávané studiem vysoce definovaných modelových systémů ve vakuu je potřeba souběžně doplňovat experimenty, které ověřují funkčnost studovaných systémů v reálnějších podmínkách vyšších tlaků a na površích s komplexnější strukturou a které umožňují další optimalizaci.

Cílem diplomové práce bude charakterizace reakčních vlastností nanostrukturovaných katalyzátorů ve formě tenkých vrstev, využívajících kombinace reducibilních oxidů s aktivním kovem (vysoce dispergovaným na atomární úrovni nebo ve formě nanočástic), případně směsných oxidů, připravených fyzikálními metodami (magnetronové naprašování, napařování, přímá oxidace apod.). Měření budou probíhat na dvou zařízeních: 1) Mikroreaktor pro teplotně programovanou reakci (TPR) a 2) Ultravakuová aparatura vybavená zařízením pro rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS), teplotně-programovanou desorpci (TPD) a difrakci pomalých elektronů (LEED). V případě potřeby bude uchazeči umožněn přístup i k dalším analytickým metodám, např. rastrovací elektronové mikroskopii (SEM), mikroskopii atomárních sil (AFM) a infračervené reflexně-absorpční spektroskopii (RAIRS).

Zásady pro vypracování a cíle práce:

  1. Seznámení se s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií (QMS) a metodami teplotně-programované reakce (TPR) a teplotně-programované desorpce (TPD).
  2. Seznámení se s rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS).
  3. Příprava vzorků s definovanou strukturou a složením, v kontextu paralelně probíhajících modelových studií (v současné době kombinace oxidů ceru a kobaltu s přechodovými kovy Pt skupiny).
  4. Studium interakce připravených vzorků s vybranými plyny a jejich vzájemných reakcí metodami TPR, TPD a XPS, případně dalšími doplňkovými metodami.
  5. Zpracování experimentálních dat.

Literatura:

  1. Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2008, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany.
  2. enry, C.R.: Surface Science Reports 31(7-8) (1998) 235; Campbell, C.T.: Surface Science Reports 27(1-3) (1997) 1; Goodman, D.W.: Chemical Reviews 95(3) (1995) 523; Mullins, D.R.: Surface Science Reports 70(1) (2015) 42
  3. Liu, L.C. and Corma, A.: Chemical Reviews, 2018. 118(10): p. 4981-5079; Campbell, C.T. and Sauer, J.: Chemical Reviews 113(6) (2013) 3859.
  4. White, F.A. and Wood, G.M., Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); Niemantsverdriet, J. W., Spectroscopy in Catalysis: An Introduction, John Wiley & Sons (2000)
  5. Další časopisecká literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.


Povrchy perovskitu KTaO3 připravené štípáním v ultravysokém vakuu
Surfaces of the KTaO3 Perovskite Prepared by Cleaving in UHV


Vedoucí: Mgr. Martin Setvín, Ph.D. - A331, tel. 2310
Konzultant: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D. - A133, tel. 2333

Anotace:

Perovskity (strukturní vzorec ABO3 [1]) jsou v současnosti v popředí zájmu v materiálovém výzkumu díky jejich slibným vlastnostem pro katalýzu [2], fotokatalýzu [3], elektroniku [4] nebo spintroniku. Název perovskit obsahuje širokou skupinu materiálů obsahující stovky stabilních konfigurací, a to díky značné volnosti v kombinaci kationtů A a B a možnosti dopování materiálu na všech třech pozicích (A,B,O).

Cílem této práce je připravit nerekonstruovaný povrch perovskitu KTaO3 (001) metodou štípání ve vakuu [5,6] a analyzovat ho pomocí metod STM [7] a LEED [8]. Dále se pokusit změřit a vyhodnotit LEED I-V křivky a určit z nich vertikální relaxaci povrchových atomů.

Pro optimalizaci katalytických vlastností povrchů se tradičně používaji ostrůvky kovových atomů. Druhý cíl diplomové práce je získat základní vědomosti o interakci přechodových kovů s KTaO3 (001) pomocí depozice vhodného kovu (například Ceru) v množství odpovídajícímu přibližně jedné monovrstvě a analyzovat výsledný povrch pomocí STM a XPS.

Cíle práce:

Diplomová práce bude prováděna na aparatuře, která umožňuje studium vzorků pomocí STM a integrálních povrchových technik (adsorpce, desorpce, hmotnostní spektroskopie, XPS, LEED). Výsledky měření vytvoří základ pro zkoumání katalytických vlastností povrchu KTaO3 modifikovaného přechodovými kovy.

Literatura:


Atomárně rozlišené povrchy po interakci s kapalnou vodou
Atomically-resolved surfaces after interaction with liquid water


Vedoucí: Mgr. Martin Setvín, Ph.D. - A331, tel. 2310

Anotace:

Jedním z hlavních směrů ve fyzice povrchů je v současnosti překonání propasti mezi podmínkami ultravysokého vakua a přechod k povrchům v reálných podmínkách. Cílem této diplomové práce je připravit vhodný testovací povrch v ultravysokém vakuu a analyzovat ho s atomární přesností pomocí kombinovaného AFM/STM, tento povrch následně vystavit ultračisté kapalné vodě a opět analyzovat pomocí AFM/STM.

Součástí práce bude sestavení a otestování systému pro práci s kapalnou vodou v UHV komoře podle reference [1]. Tento design se ukázal jako velmí úspěšný pro udržení čistoty nezbytné pro další analýzu povrchu na atomární úrovni [1,2]. Nekontaktní AFM se v poslední době profiluje jako silná metoda pro zobrazování hydroxylovaných povrchů a sítí vodíkových vazeb ve vrstvách molekulární vody [3,4]. V případě úspěšného otestování metody na známém povrchu (například Fe3O4, Cu, TiO2, apod.) je možné pokračovat ve zkoumání složitějšího povrchu, například perovskitů SrTiO3 nebo KTaO3.

Vzorek s kapkou vody uvnitř UHV komory

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámit se s literaturou o technice AFM/STM a o experimentech s kapalnou vodou v UHV prostředí.
  2. Navštívit pracoviště ve spolupracující skupině na TU Wien, seznámit se s experimentálním vybavením a provést experimment s kapalnou vodou.
  3. Sestavit podobné zařízení na pracovišti KFPP.
  4. Ověřit funkčnost zařízení na vhodném povrchu.

Literatura


Studium modelových katalyzátorů s vysokou disperzí aktivního kovu
Study of model catalysts with high dispersion of active metal


Vedoucí: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr. - A125, tel. 2241, 2252, 2734, 2732
Konzultant: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.

Anotace:

V heterogenní katalýze jsou velmi často využívány katalyzátory v podobě oxidických nosičů, na jejichž povrchu jsou deponovány malé klastry katalyticky aktivních kovů. Hlavním požadavkem na nosič je poskytnout co největší specifickou plochu pro zvýšení disperze katalyzátoru. Velmi jemná disperze aktivního kovu do podoby klastrů obsahujících pouze několik málo atomů maximalizuje využití vzácných kovů vystavením každého jednotlivého atomu kovu reaktantům. Aby nedocházelo k sintrování a deaktivaci takovýchto katalyzátorů za reálných reakčních podmínek, je třeba jednotlivé kovové atomy stabilizovat na specifických adsorpčních místech na povrchu substrátu. Studium reálných katalyzátorů je však z důvodu jejich strukturní, kompoziční a chemické složitosti velmi obtížné. Z tohoto důvodu využíváme modelových systémů, které jsou jednodušší a dobře definované. Navrhovaná diplomová práce naváže na naše nedávné studie interakce platiny s povrchy modelových epitaxních vrstev oxidu ceričitého provedené metodami fotoelektronových spektroskopií (PES), skenovací tunelovou mikroskopií (STM) v kombinaci s výpočty DFT, které prokázaly, že jednotlivé atomy Pt jsou na dobře definovaných površích oxidu ceru stabilizovány na okrajích monoatomárních schodů v iontové formě Pt2+ [1]. Podmínky (de)stabilizace platiny v iontové podobě a jejich katalytická aktivita nejsou však dosud zcela probádané.

V rámci diplomové práce bude studována interakce vzácného kovu (Pt, Au,…) s povrchy epitaxních vrstev oxidu ceru in-situ zejména metodami fotoelektronových spektroskopií (UPS, XPS, v operando podmínkách NAP-XPS) a difrakcí pomalých elektronů (LEED). Cílem práce bude připravit vysoce dispergovaný modelový katalyzátor a studovat jeho stabilitu v oxidačně redukčních podmínkách v oblasti tlaků od UHV po jednotky mbar.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium literatury
  2. Seznámení se s měřícími aparaturami XPS/XPD/UPS a NAP-XPS/UPS
  3. Příprava modelových vrstev oxidu ceru a jejich charakterizace metodami XPS, UPS, LEED
  4. Depozice aktivního kovu (Pt, Au,…) a studium interakce s oxidem ceru výše uvedenými metodami jak v UHV podmínkách, tak i za vyšších tlaků
  5. Zpracování dat a sepsání práce

Literatura:


Funkcionalizace nanočástic oxidu ceričitého pomocí jednoduchých biomolekul
Functionalization of cerium oxide nanoparticles by simple biomolecules


Vedoucí: Ing. Nataliya Tsud, Dr.
Konzultant: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr. - A125, tel. 2241, 2252, 2734, 2732, Mgr. Anna Fučíková, Ph.D.

Anotace:

V rámci této diplomové práce navrhujeme studovat nanočástice oxidu ceričitého o velikosti několika málo nanometrů funkcionalizované jednoduššími biomolekulami, např. histidinu či glycinu, z roztoku. Nanočástice budou charakterizovány mikroskopickými metodami (AFM, SEM,TEM), metodou dynamického rozptylu světla (DLS) a spektrometrem UV-vis. Centrum pozornosti bude soustředěno na studium charakteru vazeb vytvořených mezi biomolekulami a nanočásticemi CeO2 metodami fotoelektronové spektroskopie s využitím synchrotronového záření (SRPES, RPES, NEXAFS) a XPS. Výzkum bude prováděn ve spolupráci s týmy Dr. A. Shcherbakova a Dr. N. Zholobakovou, Zabolotny institut mikrobiologie a virologie, Národní akademie věd Ukrajiny. Fotoemisní experimenty budou realizovány převážně na české optické dráze materiálového výzkumu (MSB) na synchrotonu Elettra v Terstu.

Cílem práce bude studovat způsob interakce biomolekul s povrchem nanočástic oxidu ceričitého.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury
  2. Seznámení se s principy experimentálních metod a systémů, které budou k řešení práce používány.
  3. Příprava roztoku nanočástic oxidu ceru a jejich charakterizace.
  4. Funkcionalizace nanočástic CeO2 biomolekulami ve vodním roztoku.
  5. Studium interakce biomolekul s povrchem nanočástic CeO2.
  6. Vyhodnocení výsledků a sepsání práce.

Literatura

  1. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, ISBN: 1-86094-299-7.
  2. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9
  3. N. Hashemi Goradel, F. Ghiyami-Hour, S. Jahangiri, B. Negahdari, A. Sahebkar, A. Masoudifar, H. Mirzaei, Nanoparticles as new tools for inhibition of cancer angiogenesis, J. Cell. Physiol. 233 (2018) 2902–2910
  4. C.D. Spicer, E.T. Pashuck, M.M. Stevens, Achieving Controlled Biomolecule–Biomaterial Conjugation, Chem. Rev. 118 (2018) 7702–7743
  5. A. Dadwal, A. Baldi, R. Kumar Narang, Nanoparticles as carriers for drug delivery in cancer, Artif. Cells, Nanomedicine, Biotechnol. 46 (2018) 295–305
  6. Y. Lin, J. Ren, X. Qu, Catalytically active nanomaterials: a promising candidate for artificial enzymes, Acc. Chem. Res. 47 (2014) 1097–1105
  7. X. Wang, Y. Hu, H. Wei, Nanozymes in bionanotechnology: from sensing to therapeutics and beyond, Inorg. Chem. Front. 3 (2016) 41–60
  8. S.P. Pujari, L. Scheres, A.T.M. Marcelis, H. Zuilhof, Covalent Surface Modification of Oxide Surfaces, Angew. Chemie Int. Ed. 53 (2014) 6322–6356
  9. P.R. Solanki, A. Kaushik, V. V Agrawal, B.D. Malhotra, Nanostructured metal oxide-based biosensors, NPG ASIA Mater. 3 (2011) 17–24
  10. R.W. Tarnuzzer, J. Colon, S. Patil, S. Seal, Vacancy engineered ceria nanostructures for protection from radiation-induced cellular damage., Nano Lett. 5 (2005) 2573–7.
  11. I. Celardo, J.Z. Pedersen, E. Traversa, L. Ghibelli, Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles, Nanoscale. 3 (2011) 1411–1420


Modelová studie interakce vodního roztoku soli sodíku a draslíku s oxidem ceričitým pro bio-aplikace
Model study of phosphate buffer solution interaction with cerium oxide for bio-applications.


Vedoucí: Ing. Nataliya Tsud, Dr.

Anotace:

Rychlý vývoj nanotechnologií v oblasti bioelektroniky vyžaduje hluboké pochopení interakcí biomolekul nebo organických molekul s anorganickými materiály. Navíc spontánně adsorbované organické monovrstvy obecně mají obrovský potenciál pro cílenou změnu povrchových vlastností nanomateriálů.

Vzhledem k nutnosti reprodukovatelné depozice biomolekul na polykrystalické vrstvy oxidu ceričitého pro vývoj nových senzorických systémů, navrhujeme v rámci této diplomové práce studovat interakci organického roztoku soli sodíku a draslíku, typického elektrochemického pracovního roztoku, s povrchem oxidu ceričitého. Interakce roztoku soli s povrchy vrstev polykrystalického oxidu ceričitého naneseného na uhlíkové elektrody bude studována metodami fotoelektronové spektroskopie s využitím synchrotronového záření, mikroskopie atomárních sil a skenovací elektronové mikroskopie.

Cílem práce bude charakterizace povrchů elektrody CeO2 před a po elektrochemické reakci s roztokem soli.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury.
  2. Seznámení se s principy experimentálních metod a systémů, které budou k řešení práce používány.
  3. Depozice roztoku soli na povrch CeO2, charakterizace systému metodami fotoelektronové spektroskopie.
  4. Elektrochemické reakce elektrody CeO2 s pracovním roztokem soli, charakterizace systému metodami fotoelektronové spektroskopie po reakci.
  5. Optimalizace koncentrací roztoku soli pro elektrochemické experimenty s biomolekulami.
  6. Vyhodnocení výsledků a sepsání práce.

Literatura

  1. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, ISBN: 1-86094-299-7.
  2. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9
  3. Odborná literatury dle doporučení vedoucí práce


Studium stability bimetalických katalyzátorů palivových článků
Investigation of the stability of bimetallic fuel cell catalysts


Vedoucí: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.

Anotace:

Očekává se, že palivové články s polymerní membránou (PEMFC) se stanou hlavním zdrojem energie pro širokou škálu zařízení, od přenosné elektroniky až po vozidla. Navzdory velkému potenciálu jsou však PEMFC stále daleko od komerční realizace, což je způsobeno především dvěma problémy: výrobními náklady a špatnou životností. Stabilita katalyzátoru je tedy jednou z klíčových otázek, které zaslouží pozornost. Kvůli korozivním podmínkám katody PEMFC (vysoké potenciály a nízké pH) je degradace katalyzátoru nevyhnutelná a má za následek zhoršení výkonu palivových článků. Taková korozní degradace katalyzátorů palivových článků během jejich provozu je složitým jevem zahrnujícím více procesů, jako je rozpuštění katalyzátoru, Ostwald ripening, koalescence, koroze uhlíkoveho nosiče.

V rámci této práce budou bimetalické katalyzátory připravovány metodou magnetronového naprašování. Simulace provozních podmínek palivového článku bude provedena v elektrochemické cele. Katalytická vrstva bude zkoumána před a po elektrochemické simulaci metodami mikroskopií (AFM, SEM, TEM), fotoelektronové spektroskopie (XPS) ) a energiově disperzní spektroskopie RTG záření (EDS). Zvláštní pozornost bude věnována různým provozním režimům palivových článků.

Cílem práce bude sledovat morfologickou a kompoziční stabilitu katalyzátoru za různých provozních podmínek palivového článku.

Zásady pro vypracování:

  1. Rešerše literatury.
  2. Seznámení s metodou přípravy tenkých vrstev a jednotlivými zařízeními, které budou využívány v rámci této práce.
  3. Příprava tenkých vrstev bimetalických katalyzátorů magnetronovým naprašováním.
  4. Studium morfologie a složení připravených vrstev před a po elektrochemické simulaci podmínek palivového článku v elektrochemické cele.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání diplomové práce.

Literatura:

  1. Polymer Electrolyte Fuel Cell Degradation, M. Mench, E. C. Kumbur, T. N. Veziroglu, Elsevier, 2012, ISBN: 978-0-12-386936-4 
  2. I. Khalakhan et al. In situ electrochemical AFM monitoring of the potential-dependent deterioration of platinum catalyst during potentiodynamic cycling. Ultramicroscopy, 2018, 187, 64–70.


Studium katalytických vrstev Pt-CeOx v simulovaných podmínkách palivového článku
Study of Pt-CeOx catalytic layers in simulated fuel cell conditions


Vedoucí: Mgr. Jaroslava Nováková, Ph.D.
Konzultant: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.

Anotace:

Díky katalytickým vlastnostem oxidu ceru jsou vrstvy Pt-CeOx považovány za vhodného kandidáta pro katalyzátor na straně anody vodíkového palivového článku. Modelové studie daného systému nám sice nabízejí náhled do procesů probíhajících na povrchu aktivní vrstvy, avšak neposkytují úplné informace o průběhu katalytické reakce.

Proto bude předmětem diplomové práce charakterizace reálných katalyzátorů Pt-CeOx připravených magnetronovým naprašováním prostřednictvím transmisní elektronové mikroskopie (TEM) a vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS) v podmínkách blízkých pracovním podmínkám skutečného palivového článku. Práce bude zaměřena na studium strukturních a chemických vlastností vrstev Pt-CeOx připravených magnetronovým naprašováním a jejich změn při ohřevu a expozici plyny (H2, O2, CO, H2O) v závislosti na množství platiny ve vrstvě. Cílem práce je zjistit chování platiny a oxidu ceričitého při procesech probíhajících na povrchu katalyzátoru palivového článku.

Zásady pro vypracování

  1. Bibliografická rešerše.
  2. Seznámení se technikami a zařízeními nezbytnými pro vypracování DP - SEM/FIB, TEM, EDX, NAP-XPS
  3. Příprava vzorků pomocí SEM/FIB pro TEM.
  4. Studium morfologie, krystalografie a složení vzorků pomocí TEM, EDX.
  5. Studium elektronické struktury vzorků prostřednictvím NAP-XPS.
  6. Vyhodnocení výsledků a sepsání práce. 

Literatura

  1. A. Trovarelli, Catalysis by Ceria and Related Materials, Imperial College Press, London (2002), ISBN: 1-86094-299-7.
  2. R.F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy, Springer, New York, USA, (2007), ISBN-13: 978-0387-25800-0.
  3. D.B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy, Springer, New York, USA, (2009), ISBN 978-0-387-77502-0.
  4. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England (1990), ISBN: 0471-92081-9.
  5. M. Salmeron and R. Schlogl, Ambient pressure photoelectron spectroscopy: A new tool for surface science and nanotechnology, Surf. Sci. Rep. 63, 169–199, 2008.
  6. Odborné články podle doporučení vedoucího práce.


Studium reakce oxidu uhelnatého a vodní páry na povrchu katalyzátoru Au-CeO2
Study of the reaction of carbon monoxide and water vapor on the surface of Au-CeO2 catalyst


Vedoucí: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.

Anotace:

Navrhovaná diplomová práce bude zaměřena na studium mechanizmů reakce oxidu uhelnatého a vodní páry (konverze vodního plynu), reakce důležité pro průmysl a ekologické prostředí, a to na úrovni základního výzkumu. Tenkovrstvé modelové katalyzátory na bázi oxidu ceru se budou připravovat napařováním tenkých vrstev oxidu ceru s následovnou depozicí malého množství zlata. Takto připravené modelové katalyzátory se budou studovat metodami vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS). Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v celé České republice, na světě jich funguje pouze několik desítek. Tato moderní povrchová analytická technika umožňuje získání kompletní informace o meziproduktech chemické reakce vyskytující se na povrchu katalyzátoru a chemickém stavu povrchu katalyzátoru přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám. Získané informace pomohou pochopit mechanizmy a cesty, kterými běží zmíněná reakce na povrchu Au-CeO2 katalyzátoru. Pochopení mechanizmů této reakce by v důsledku mohlo vést ke zjištění způsobu přípravy a složení katalyzátoru s maximálním účinkem pro požadované katalytické procesy a získat požadované výstupní produkty reakce.

Zásady pro vypracování:

  1. Seznámit se s vysokotlakou rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (NAP-XPS).
  2. Prostudovat ty části doporučené literatury, které se týkají problematiky studované ve vypsané práci.
  3. Růst tenkých orientovaných vrstev oxidu ceru na povrchu monokrystalů Ru(0001) s následovnou depozicí malého množství Au.
  4. Studium mechanizmů reakce oxidu uhelnatého a vodní páry na povrchu Au-CeO2 katalyzátoru metodou NAP-XPS.
  5. Zpracování experimentálních dat a sepsání diplomové práce.

Seznam odborné literatury

  1. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England, 1990. (Rentgenová fotoelektronová spektroskopie).
  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. Polymer Electrolyte Fuel Cell, editor A. A. Franco, Pan Standford Publishing, Singapore 2013.
  4. Odborné články podle doporučení vedoucího práce.


Studium transportních vlastností MEA pro plyny
Study of MEA gas transport properties


Vedoucí: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc. - A124, A132, A346, tel. 2323, 27432, 2734, 2252
Konzultant: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D. - A145, L067, tel. 2733, 2763

Anotace:

Účinný transport kyslíku v sestavách membránových elektrod (MEA) je zásadní pro dosažení vysokého výkonu a zajištění dlouhodobé stability palivových článků. Zlepšení transportních vlastností MEA lze dosáhnout přizpůsobením architektury MEA mikroskopickém a nanometrickém měřítku důkladným vyladěním poréznosti a hydrofobních vlastností.

Ve skupině nanomateriálů budou připraveny a testovány klíčové komponenty MEA (t.j. plynová difúzní média a vrstvy katalyzátoru) přímo v palivových článcích. Rozsáhlé testování palivových článků v reálných podmínkách bude prováděno metodami impedanční spektroskopie (PEIS – Potential Electrochemical Impedance Spectroscopy), cyklické voltametrie (CV) a měřeními limitních proudů. Cílem práce bude pochopit souvislosti mezi vlastnostmi jednotlivých složek MEA z hlediska transportu plynů, což může ukázat na způsoby jeho zlepšení.

Cíle práce:

  1. Pochopení základních principů provozu palivových článků.
  2. Zvládnutí technik přípravy vrstev katalyzátoru a plynového difúzního media, sestavení MEA.
  3. Testování ve vodíkovém palivovém článku pomocí metod PEIS, CV, I-V, LSV (Linear Sweep Voltammetry).
  4. Analýza a zpracování výsledků
  5. Sepsání práce

Literatura:

  1. O'Hayre R., Základy palivových článků, Wiley, 2016.
  2. Wang H., Diagnostické nástroje palivových článků PEM, CRC Press, 2012.


Studium otravy anodového katalyzátoru vodíkového palivového článku
Study of poisoning of anode catalyst of hydrogen fuel cell


Vedoucí: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc. - A124, A132, A346, tel. 2323, 27432, 2734, 2252
Konzultant: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D. - A145, L067, tel. 2733, 2763

Anotace:

V současné době se vodík vyrábí rozkladem uhlovodíků, které mohou vést k přítomnosti CO, H2S v palivu. Použití takového vodíku v palivových článcích může způsobit otravu anodového katalyzátoru (platiny) s významným zhoršením výkonu. Proto jsou žádoucí katalyzátory s vysokou tolerancí k druhům způsobujících otravu. Jednou z možností je vytvořit slitinu platiny přidáním jiného kovu a zmírnit tak vliv přítomných katalytických jedů.

Při řešení práce navrhujeme připravovat modelových katalytických systémů na bázi slitin technikou magnetronového naprašování. Připravené vrtsvy budou charakterizovány dostupnými technikami (např. SEM, EDX), včetně RRDE s následným testováním v palivovém článku.

Cílem práce je studovat odolnost platinového katalyzátoru v záslosti na typu slitiny a množství přidaného kovu.

Výsledky práce mohou mít významné ekonomické dopady, protože odolnější katalyzátory nevyžadují nákladné čištění vodíku.

Cíle práce:

  1. Seznámit se s principy heterogenní katalýzy, mechanismy otravy a způsoby jejího zmírnění.
  2. Zvládnout metody techniky používané při řešení práce
  3. ​​Příprava katalyzátorů magnetronovým naprašováním
  4. Charakterizace připravených vrstev katalyzátorů pomocí RRDE a testováním v palivovém článku
  5. Zpracování a analýza výsledků

Literatura:

  1. O'Hayre R., Základy palivových článků, Wiley, 2016.
  2. Wang H., analýza režimu selhání palivových článků PEM, CRC Press, 2012.
  3. Bard A. J., Elektrochemické metody: základy a aplikace, Wiley, 2001.


Štúdium tenkovrstvových katalyzátorov pre reverzibilný vodíkový palivový článok s protónovo-vodivou membránou
Study of thin film catalysts for reversible hydrogen fuel cell with proton-exchange membrane


Vedoucí: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.

Anotace:

Vodný elektrolyzér s protónovo vodivou membránou (PEM-WE) je základným stavebným kameňom vodíkového hospodárstva. Umožňuje totiž premenu prebytočnej elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov v čase vysokej produkcie a nízkeho odberu na jednoducho uskladniteľnú energiu chemickú. Deje sa tak prostredníctvom endergonickej elektrochemickej reakcie 2H2O + elektrická energia -> O2 + 2H2. Produktom sú plynný vodík a kyslík, ktoré môžu byť neskôr spätne použité v palivovom článku (PEM-FC) v spontánnej reakcii O2 + 2H2 -> 2H2O + elektrická energia.

Vzhľadom na to, že jednotlivé redoxné reakcie PEM-WE a PEM-FC sú katalyzované vzácnymi kovmi (Pt v prípade PEMFC; Ir, Ru a Pt v prípade PEM-WE) vzniká z pohľadu masovejšej komercializácie potreba minimalizovať ich obsah. Ambicióznou myšlienkou je vytvoriť hybridné zariadenie, reverzibilný palivový článok (PEM-URFC), schopný operovať v režime jak elektrolyzéru, tak palivového článku. Predmetom tejto diplomovej práce bude nadviazať na predbežné výsledky skupiny, v oblasti vývoja tenkovrstvového nanoštrukturovaného bifunkčného Pt-Ir katalyzátoru. Pt-Ir vrstvy budú deponované metódou multiterčového magnetrónového naprašovania. Následne budú analyzované celou škálou analytických metód vrátane elektrónovej mikroskopie, atómovej silovej mikroskopie, energiovo-disperznej spektroskopie, či fotoelektrónovej spektroskopie. Samotné katalytické vlastnosti vrstiev budú skúmané predovšetkým pomocou rotačnej diskovej elektródy, ako aj v experimentálnej PEM-URFC celle za skutočných operačných podmienok.

Zásady pre vypracovanie:

  1. Bibliografická rešerš.
  2. Zoznámenie sa s jednotlivými experimentálnymi metódami.
  3. Príprava série tenkovrstvových katalyzátorov pre PEM-URFC.
  4. Charakterizácia pripravených vzoriek a štúdium ich vlastností.
  5. Vyhodnotenie výsledkov.
  6. Spísanie diplomovej práce.

Literatúra:

  1. M. Braun, Magnetron Sputtering Technique, Handb. Manuf. Eng. Technol., Springer (2015) 2929–2957. doi:10.1007/978-1-4471-4670-4_28.
  2. Paul B, Andrews J. PEM unitised reversible/regenerative hydrogen fuel cell systems: State of the art and technical challenges. Renew Sustain Energy Rev 2017; 79:585–99. doi:10.1016/j.rser.2017.05.112.


Studium růstu Au klastrů na epitaxních vrstvách oxidu ceru s různou hustotou schodů
Study of the growth of Au clusters on epitaxial cerium oxide films with different step densities


Vedoucí: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.

Anotace:

Oxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reforming uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium, nikl a zlato [2, 3].

Jelikož většina metod povrchové fyziky vyžaduje elektrickou vodivost vzorků a objemový oxid ceru je izolant (band gap přibližně 6 eV), v modelových studiích se místo monokrystalického oxidu ceru používají tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na kovech s vhodnými vlastnostmi (například Cu nebo Ru [1, 4]). Na takto připravený povrch se deponují katalyticky aktivní kovy, jejichž katalytická aktivita je podpořena přítomností oxidu ceru.

Náplní této diplomové práce je připravit tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru s různou hustotou schodů. Příprava vrstev bude kontrolována pomocí metod LEED (nízkoenergetická elektronová difrakce) a XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie). Výsledné vrstvy budou zobrazeny pomocí metod STM (skenovací tunelová mikroskopie) nebo AFM (mikroskopie atomárních sil). Cílem práce by měla být sada dat získaná STM nebo AFM popisujících topografii povrchu „kov/oxid ceru/Au“. Tato data budou součástí většího výzkumného projektu, jenž se zaměřuje na studium katalytické aktivity oxidu ceru v různých chemických reakcích za operando podmínek.

Zásady pro vypracování

  1. Bibliografická rešerše.
  2. Seznámení se s experimentálními metodami XPS, LEED, STM a AFM.
  3. Příprava monokrystalického substrátu (například Ru(0001) nebo Cu(111)) v ultra-vysokém vakuu.
  4. Příprava epitaxních vrstev oxidu ceru s různou hustotou schodů na vybraném substrátu
  5. Depozice vhodného množství Au na připravené povrchy.
  6. Charakterizace připravených vzorků pomocí STM/AFM.
  7. Vyhodnocení výsledků.
  8. Sepsání diplomové práce.

Seznam odborné literatury