Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat diplomových prací pro šk. rok 2021/2022

zobrazit předchozí rok (2020/2021), další rok (2022/2023)

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2021/2022 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.


Zkoumání kolektivních interakcí v ultra-chladném plazmatu
Studies of many-body effects in ultra-cold plasma


Vedoucí: Mgr. Michal Hejduk, Ph.D.

Anotace:

Ionty lasery zchlazené na tisíciny stupně nad absolutní nulou se dnes využívají v kvantových počítačích, kvantových detektorech a kvantových simulátorech. Simulátory slouží ke konstrukci modelů imitujících reálné systémy – jako jsou okraje černých děr, raný vesmír nebo vysokoteplotní supravodiče – které se vyznačují kvantově mechanickým kolektivním chováním, jež by klasické počítače simulovaly léta.

Ionty se musí uchovávat izolované od vnějších rušivých vlivů v tzv. iontových pastech. Na Katedře fyziky povrchů a plazmatu již léta provozujeme dvě a třetí vzniká právě za účelem zkoumání kvantových kolektivních jevů v plazmatu. Cílem je vytvořit systém, který bude obsahovat jak ionty, (což už je dnes ustálená praxe) tak i elektrony (to je nové). Něco podobného existuje uvnitř bílých trpaslíků a na površích neutronových hvězd. My máme tedy za cíl vytvořit “bílého trpaslíka na Zemi”, a to poprvé v historii!

Ionty v takovémto silně vázaném plazmatu reagují na vnější podněty kolektivně, protože jejich kinetická energie nedostačuje k tomu, aby rozbíjela dalekodosahové vazby. Tudíž je možné pozorovat nelineární odezvu celého částicového systému na interakce s elektrony nebo fotony.

V rámci Vaší diplomové práce se můžete podílet na počítačových simulacích ultra-chladného plazmatu za účelem predikce pozorovaných jevů. Nebo se můžete rozhodnout přiložit ruku ke stavbě aparatury, která sdílí mnohé s kvantovými počítači, čímž získáte praxi vhodnou pro práci na prestižních zahraničních pracovištích, jak akademických, tak soukromých (Honeywell, Infineon a další).

Projekt je financován z programu PRIMUS, jenž má za cíl podporovat mladé vědce přicházející ze zahraničí při rozvíjení excelentního výzkumu na půdě Univerzity Karlovy. Více informací rovněž zde: https://mhejduk.com.

Zásady pro vypracování

  1. Studium doporučené literatury.
  2. Počítačová simulace dynamiky ultra-chladného plazmatu v klasickém režimu.
  3. Teoretické prozkoumání dynamiky částic v limitním kvantově-mechanickém režimu.
  4. Podílení se na realizaci experimentu.

Literatura

  1. Herskind, P. F., Dantan, A., Marler, J. P., Albert, M. & Drewsen, M. Realization of collective strong coupling with ion Coulomb crystals in an optical cavity. Nature Phys 5, 494–498 (2009).
  2. Hejduk, M. & Heazlewood, B. R. Off-axis parabolic mirror relay microscope for experiments with ultra-cold matter. Rev. Sci. Instrum. 90, 123701 (2019).
  3. Dohnal, P., …, Hejduk, M. et al. Collisional-radiative recombination of Ar+ ions with electrons in ambient helium at temperatures from 50 K to 100 K. Phys. Rev. A 87, 052716 (2013).
  4. Foot, C. J. Atomic Physics (Oxford University Press, 2005).


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:


Modelové systémy na bázi tenkých epitaxních vrstev oxidu wolframu
Model systems based on epitaxial tungsten oxide thin films


Vedoucí: Doc. RNDr. Karel Mašek, Dr. - A130, A126, A346, tel. 2753, 2242 (fax), 2313, 2252

Anotace:

Oxid wolframu má zajímavé fyzikálně chemické vlastnosti z hlediska celé řady průmyslových aplikací. Základní fyzikálně chemické vlastnosti tenkých vrstev se obvykle studují na modelových systémech tvořených epitaxními vrstvami. Cílem této diplomové práce je nalézt optimální podmínky (podložka a její povrchová orientace, teplota během přípravy, rychlost depozice …) pro přípravu tenkých epitaxních vrstev oxidu wolframu a charakterizovat jejich fyzikálně chemických vlastností. Práce je pokračováním úspěšného studia těchto vrstev na povrchu Cu(110), které vedlo k přípravě nízkodimenzionálních samoorganizovaných nanostruktur. Vrstvy budou dále dopovány aktivními kovy jako platina a zlato, které významně ovlivňují vlastnosti těchto vrstev. Vrstvy budou připravovány napařováním v ultravakuových podmínkách. Jejich krystalografická struktura a chemický stav budou studovány metodou reflexní difrakce rychlých elektronů (RHEED) a různými elektronovými spektroskopiemi (AES – spektroskopie Augerových elektronů, XPS – fotoelektronová spektroskopie). Povrchová morfologie vrstev zkoumána pomocí mikroskopu atomárních sil (AFM) popřípadě řádkovací elektronovou mikroskopií..

Morfologie vrstvy měřená pomocí AFM

RHEED difrakční obrazec

Cíle práce:
1) seznámení se s laboratorním systémem RHEED a XPS-AES
2) příprava tenkých epitaxních vrstev WOx na různých površích kovových monokrystalů, depozice aktivních kovů
3) nalezení optimálních podmínek přípravy
4) měření krystalografické a elektronické struktury vrstev metodami RHEED, XPS, AES a interakce kov-oxid
5) měření povrchové morfologie vrstev
6) vyhodnocení a interpretace naměřených dat

Navrhovaná diplomová práce úzce souvisí s projekty řešenými ve skupině povrchů KFPP a lze na ni navázat v následném doktorandském studiu. V průběhu studia se předpokládá i účast na měření na Synchrotronu Elettra v Terstu.

Literatura:
1) L. Eckertová, L. Frank, Metody analýzy povrchů – Elektronová mikroskopie a difrakce, Academia, Praha, 1996
2) L. Eckertová a kol., Metody analýzy povrchů, Elektronová spektroskopie, Academia, Praha 1990
3) Ayahiko Ichimiya and Philips I. Cohen, Reflection High Energy Diffraction, Cambridge University Press, Cambridge 2004
4) W. Braun, Applied RHEED, Springer – Verlag Berlin Heidelberg 1999
5) D. Briggs and M.P.Seah, Practical Surface Analysis, second edition, John Wiley & Sons, 1990
6) Články v odborných časopisech podle dohody s vedoucím práce


Nanoslitiny a směsné oxidy pro vodíkovou energetiku
Nanoalloys and mixed oxides for hydrogen energetics


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. Do popředí zájmu se dostávají procesy spojené s vytvářením a ukládáním zdrojů čisté energie, mezi nimiž zaujímá hlavní místo vodík. Návrh a výzkum k tomu potřebných katalyzátorů je klíčovým krokem směrem k budoucímu masovému využití. K tomu je však také potřeba vyvinout materiály, které nahradí v současné době hojně používané drahé kovy, resp. pomocí optimalizace minimalizují jejich potřebu. Jedna z možných cest k tomuto cíli směřuje přes binární systémy využívající nesených slitinových nanočástic nebo směsných oxidů kovů.

Porozumění jejich fungování je možné díky studiu tzv. modelových systémů, u nichž lze díky jejich dobré definovanosti často možné odvodit vztah mezi jejich složením, strukturou na mikroskopické úrovni a katalytickými vlasnostmi.

Cílem diplomové práce bude příprava takovýchto nanostrukturovaných katalyzátorů a charakterizace jejich reakčních vlastností. Experimenty budou probíhat v podmínkách vysokého vakua především na zařízení vybaveném metodami rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), teplotně-programovanoé desorpce (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) nebo infračervené reflexně-absorpční spektroskopii (RAIRS).

Zásady pro vypracování a cíle práce:

  1. Seznámení se s rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS).
  2. Seznámení se s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií (QMS) a metodami teplotně-programované reakce (TPR) a teplotně-programované desorpce (TPD).
  3. Příprava tenkovrstvých modelových systémů vzorků s definovanou strukturou a složením fyzikálními metodami.
  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 a jejich interpretace.

Literatura:

  1. Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2008, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany.
  2. Henry, 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.
Morfologie Pt nanočástic na tenké vrstvě CeO2, zobrazená pomocí STM. Vlevo nahoře termodesorpční spektra CO2 z tohoto povrchu po expozicích oxidem uhelnatým, ukazující postupně klesající disociační aktivitu s počtem cyklů.
Morfologie Pt nanočástic na tenké vrstvě CeO2, zobrazená pomocí STM. Vlevo nahoře termodesorpční spektra CO2 z tohoto povrchu po expozicích oxidem uhelnatým, ukazující postupně klesající disociační aktivitu s počtem cyklů.


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:


Adsorpce nitroxylových organických radikálů na uspořádané vrstvy oxidu ceričitého.
Adsorption of nitroxyl organic radicals on ordered cerium oxide films.


Vedoucí: Ing. Nataliya Tsud, Dr.
Konzultant: Prof. Mgr. Iva Matolínová, Dr. - A125, tel. 2241, 2252, 2734, 2732

Anotace:

V rámci této diplomové práce navrhujeme studovat vazbu nitroxylových organických radikálů s uspořádanými povrchy oxidu ceričitého, materiálu s velice slibnými vlastnostmi pro bioaplikace a organickou elektroniku. Modelový systém bude připraven ve vakuu depozicí molekul nitroxylu z Knudsenovy cely na povrch epitaxních vrstev oxidu ceru. Uspořádané vrstvy stechiometrického CeO2 a substechiometrické CeO2-x připravené depozicí ceru v kyslíkové atmosféře na povrch substrátu Cu(111) budou analyzovány difrakční technikou LEED a fotoemisní spektroskopií XPS. Interakce molekul s povrchem oxidů bude studována pomocí fotoelektronových spektroskopií XPS, SRPES, RPES a NEXAFS na české optické dráze pro materiálový výzkum (MSB) v Terstu, Itálie.

Cílem práce bude studovat způsob interakce nitroxylových organických radikálů s uspořádanými povrchy oxidu ceričitého o různé stechiometrii.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury
  2. Seznámení se s principy experimentálních metod a systémů, které budou k řešení práce používány.
  3. Příprava tenkých vrstev oxidu ceričitého a charakterizace jejich uspořádání.
  4. Příprava a test vypařovadla molekul.
  5. Studium interakce organických radikálů s vrstvami CeO2 a CeO2-x.
  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. C.D. Spicer, E.T. Pashuck, M.M. Stevens, Achieving Controlled Biomolecule–Biomaterial Conjugation, Chem. Rev. 118 (2018) 7702–7743
  4. N. Tsud, R.G. Acres, M. Iakhnenko, D. Mazur, K.C. Prince, V. Matolín, Bonding of Histidine to Cerium Oxide, J. Phys. Chem. B 117 (2013) 9182-9193
  5. B. Kovac, I. Ljubic, A. Kivimaki, M. Coreno, I. Novak, Characterisation of the electronic structure of some stable nitroxyl radicals using variable energy photoelectron spectroscopy, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 10734


Bimetalické katalyzátory na bázi Pt pro palivové články s polymerní membránou připravené magnetronovým naprašováním
Pt-based bimetallic catalysts for polymer membrane fuel cells prepared by magnetron sputtering


Vedoucí: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.

Anotace:

Vodíkové palivové články s polymerní membránou (PEMFCs) patří mezi nejslibnější zdroje čisté energie. Nicméně katodový katalyzátor zůstává slabým místem PEMFCs, což brání jejich komercializaci hlavně kvůli pomalé kinetice reakce redukce kyslíku (ORR) a vysoké ceně platiny, která zůstává jediným stabilním katalyzátorem splňujícím požadavky na katalýzu pro ORR. Bimetalické slitiny na bázi platiny jsou v posledních letech zkoumány jako platná alternativa k čisté platině, protože zvyšují nákladovou efektivitu katalyzátoru. Nicméně, bimetalické slitiny se vyznačují sníženou stabilitou.

V rámci této diplomové práce budou bimetalické katalyzátory různého složení připravovány metodou magnetronového naprašování. Morfologie a chemické složení připravených vzorků budou charakterizovány pomocí elektronové mikroskopie (SEM), fotoelektronové spektroskopie rentgenovského záření (XPS) a energiově disperzní spektroskopie RTG záření (EDS). Měření aktivity bude probíhat jak přímo v palivovém článku, tak i v elektrochemické cele, kde budou provozní podmínky palivového článku simulovány. Katalytická vrstva bude pak zkoumána po elektrochemické simulaci.

Cílem práce bude sledovat souvislosti mezi složením, aktivitou a stabilitou katalyzátorů.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury a seznámení se s principy diagnostických metod používaných v laboratoři
  2. Seznámení se s metodou přípravy tenkých vrstev a jednotlivými zařízeními, které budou využívány v rámci této práce (SEM, EDX, XPS, EC-cela, stanice s palivovým článkem)
  3. Příprava tenkých vrstev bimetalických katalyzátorů magnetronovým naprašováním
  4. Studium morfologie, složení a aktivity připravených katalytických vrstev před a po elektrochemické simulaci podmínek palivového článku v elektrochemické cele.
  5. Studium katalytických vrstev v palivovém článku.
  6. Zpracování experimentálních dat a sepsání diplomové 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 ISBN: 978-0-471-49926-8
  2. Greeley, J. et al. Alloys of platinum and early transition metals as oxygen reduction electrocatalysts. Nat. Chem., 1, 552–556 (2009).
  3. Escudero-Escribano M. et al. Recent advances in bimetallic electrocatalysts for oxygen reduction: design principles, structure-function relations and active phase elucidation. Curr. Opin. Electrochem., 8, 135-146 (2018)


Zmírnění otravy CO ve vodíkovém palivovém článku.
Mitigation of CO poisoning in hydrogen fuel cell.


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

Anotace:

Vodíkové palivové články vykazují během posledního desetiletí významný pokrok a jsou postupně uváděny na trh. Je však třeba ještě odstranit některé komerční překážky a zmírnění otravy povrchu Pt v důsledku adsorpce CO může velmi urychlit přijetí této technologie. V této práci bude podrobně studován proces otravy povrchu Pt katalyzátoru molekulami CO a zváženy metody jeho zmírnění. K dosažení tohoto úkolu budou pomocí technologie magnetronového naprašování připraveny materiály na bázi platiny (Pt-X). Morfologie připraveného katalyzátoru bude studována pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Kontrola složení slitiny Pt-X s různými poměry Pt/X bude prováděna metodami energiově disperzní spektroskopie (EDX) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS). Metoda XPS bude použita i pro studium adsorpce CO na povrchu Pt-X, kde bude primárně zajímavá změna elektronických stavů katalyzátoru. Elektrochemická aktivita a proces otravy CO budou studovány pomocí elektrochemického článku ex-situ. Počáteční potenciály a kinetika elektrooxidace CO budou měřeny metodou rotujících diskových elektrod (RDE). Nakonec bude vliv složení katalyzátoru na otravu CO hodnocen in-situ v palivovém článku vybaveném přesným směšovačem plynu.

Zásady pro vypracování:

  1. Studium doporučené literatury
  2. Seznámení se s měřícími aparaturami NAP-XPS, RDE.
  3. Příprava katalytických vrstev Pt/X magnetronovým naprašováním a jejich chrakterizace
  4. Studium procesu adsorpce CO na různých slitinách Pt-X a jejich otravy pomocí XPS, RDE a testování v palivovém článku
  5. Zpracování dat a sepsání práce

Literatura:

  1. Yakovlev, YV; Nováková, J; Kúš, P; Dinhová, TN; Matolínová, I; Matolín, J. Power Sources, 439 (Nov): Art. No. 227084 (8 pages), 2019.
  2. Marc Koper, Andrzej Wieckowski. Fuel Cell Catalysis: A Surface Science Approach. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2009. ISBN 978-0-470-13116-9.
  3. O’Hayre, Ryan P., Suk-Won Cha, Whitney G. Colella, and F. B. Prinz. Fuel Cell Fundamentals. Third edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2016. ISNB 978-1-119-11415-4 978-1-119-11420-8.
  4. Odborná literatura dle doporučení vedoucího práce


Studium mechanizmů chemických reakcí C1 na katalyzátorech na bázi oxidu ceru
Study of C1 chemical reactions on cerium based catalysts


Vedoucí: Mykhailo Vorokhta, Ph.D.

Anotace:
Navrhovaná diplomová práce bude zaměřena na studium mechanizmů jednoduchých chemických reakcí na modelových katalyzátorech na bázi oxidu ceru, které mají potenciál pro využití v C1 chemii (chemii molekul s jedním atomem uhlíku ve svém složení). Důraz bude kladen na studium chemických reakcí, jako jsou konverze vodního plynu (WGS reakce) a oxidace CO, reakcí důležitých 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 aktivního kovu. Takto připravené modelové katalyzátory se budou studovat metodami vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS). Tato moderní povrchová analytická technika umožňuje získání kompletní informace o meziproduktech chemické reakce vyskytujících se na povrchu katalyzátoru a chemickém stavu povrchu katalyzátoru přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám. Získané informace pomohou pochopit mechanizmy a cesty, kterými probíhají zmíněné chemické reakce na povrchu různě připravených modelových katalyzátorů. Pochopení mechanizmů chemických reakcí 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). Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v celé České republice, na světě jich funguje pouze několik desítek.
  2. Prostudovat ty části doporučené literatury, které se týkají problematiky studované ve vypsané práci.
  3. Růst tenkých vrstev oxidu ceru definované orientaci na povrchu monokrystalů Cu (111) s následovnou depozicí malého množství kovu (Pt a Fe).
  4. Studium mechanizmů jednoduchých chemických reakcí, jako jsou konverze vodního plynu a oxidace CO, na modelových katalyzátorech na bázi oxidu ceru 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 modelových katalyzátorů s vysokou disperzí aktivního kovu
Study of model catalysts with high dispersion of active metal


Vedoucí: Prof. 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:


Studium modelového katalyzátoru s iridiem
Ir based model catalyst study


Vedoucí: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.
Konzultant: RNDr. Kateřina Veltruská, CSc. - A131, A132, tel. 2243, 2734, 2732

Anotace:

V souvislosti s narůstajícími počty zdrojů obnovitelné energie vzniká potřeba uskladnění přebytečné elektrické energie. Jednou z možností je přeměna elektrické energie v energii chemickou. K tomuto účelu je možné použít elektrolýzu vody v zařízení s protonově vodivou membránou (PEM-WE) za vzniku vodíku, který lze uskladnit a v budoucnu přeměnit zpět v energii elektrickou pomocí technologie palivových článků.

Ve skupině nanomateriálů již několik let probíhá výzkum naprašovaných katalyzátorů s obsahem Ir, Pt a Ru, vhodných pro PEM-WE, se snahou minimalizovat množství těchto vzácných kovů. Katalyzátory mají složitou strukturu a morfologii a je obtížné objasnit děje probíhající na jejich povrchu. K tomu slouží tzv. modelové katalyzátory – zjednodušené a velmi dobře definované systémy.

V rámci této práce budou katalytické systémy na bázi Ir a Pt či Ru deponovány v ultra vysokém vakuu a bude studována jejich vzájemná interakce, vliv teploty a přítomnosti plynů. Sledována bude zejména elektronová struktura vzniklých systémů.

Experimenty budou probíhat na aparatuře vybavené metodami fotoelektronové spektroskopie (XPS,UPS, XPD, ARUPS) a difrakcí pomalých elektronů (LEED).

Zásady pro vypracování:

  1. Studium literatury
  2. Seznámení s měřící aparaturou XPS/UPS/ISS/LEED
  3. Příprava modelových systémů na bázi Ir a Pt či Ru a jejich charakterizace metodami XPS, UPS, LEED,
  4. Studium vzájemné interakce kovů, vlivu teploty a přítomnosti plynů (kyslík, vodík, vodní páry)
  5. Zpracování dat a sepsání práce

Literatura:

  1. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9
  2. J. Töpler, J. Lehmann: Hydrogen and Fuel Cell, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-44972-1
  3. časopisecká literatura po dohodě s vedoucí práce


Studium růstu tenkých vrstev směsných oxidů ceru a železa
Study of the growth of thin iron-cerium oxide films


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, reformace uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium a nikl [2, 3]. Nedávné studie ukázaly, že katalytickou aktivitu oxidu ceru v některých reakcích (oxidace CH4, redukce NOx …) lze zvýšit přidáním oxidu železa [4, 5].

Náplní této bakalářské práce je připravit tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na monokrystalu Cu(111) nebo Ru(0001). Na tyto vrstvy bude postupně napařeno různé množství železa a ceru a připravené povrchy budou charakterizovány dostupnými in-situ metodami.

Příprava vrstev bude kontrolována pomocí metod LEED (nízkoenergetická elektronová difrakce) a XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie). Výsledné povrchy budou zobrazeny pomocí metod STM (skenovací tunelová mikroskopie) nebo AFM (mikroskopie atomárních sil). Cílem práce bude charakterizace vrstev CeOx + FeOx připravených za různých podmínek, tj. například různý poměr deponovaného železa a ceru, různá teplota substrátu během depozice apod.

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 směsných vrstev oxidu ceru a oxidu železa na vybraném substrátu za vhodných podmínek (vhodná teplota substrátu, tlak kyslíku).
  5. Charakterizace připravených vzorků pomocí STM/AFM a XPS.
  6. Vyhodnocení výsledků.
  7. Sepsání diplomové práce.

Seznam odborné literatury