Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat diplomových prací pro šk. rok 2019/2020

zobrazit předchozí rok (2018/2019), další rok (2020/2021)

POZOR! Neprohlížíte aktuálně vyhlášená témata.

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2019/2020 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 nanomateriálů


Rekombinace iontů HCO+ s elektrony
Recombination of HCO+ ions with electrons


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

Anotace:

Ionty v mezihvězdném prostoru významně ovlivňují chemické procesy v těchto chladných prostředích. V reakcích iontů s atomy a molekulami dále vznikají komplikované molekuly a molekulární ionty. Iont HCO+ je hojně pozorován ve vesmíru a jeho rekombinace s elektrony v některých prostředích může ovlivňovat procesy tvorby dalších molekul. Další procesy tvorby a zániku iontu HCO+ ovlivňují i zastoupení jeho izotopologů, které jsou také v astronomii pozorovány. Studium rekombinace bude probíhat na aparatuře s proudícím dohasínajícím plazmatem, která umožňuje studovat elementární procesy při teplotách od 50 K do 300 K. Identifikace izotopologů bude možná s využitím aparatury laserové absorpční spektrometrie typu Cavity-Ringdown. V naší pražské laboratoři je k dispozici všechno potřebné vybavení. Student se seznámí s problematikou elementárních reakcí v plazmatu za nízkých teplot, vakuovou technikou a ovládáním experimentální aparatury pomocí programovacího prostředí LabVIEW.

Zásady pro zpracování:
1) Seznámení se s experimentální aparaturou a jejím ovládáním.
2) Studium formování iontu HCO+ a jeho rekombinace s elektrony.
3) Vyhodnocení dat získaných při teplotách od 50 K do 200 K.

Seznam odborné literatury:
Larsson M. and Orel A., Dissociative Recombination of Molecular Ions, Cambridge University Press, New York, 2008, ISBN 978-0-521-82819-2.
Hutchinson I.H., Principles of Plasma Diagnostics, Cambridge University Press, 2002, ISBN 0-521-80389-6.
Smith I.W.M., Low temperatures and cold molecules, World Scientific Publishing, Singapore 2008, ISBN 978-1-84816-209-9.
Další časopisecká literatura podle dohody s vedoucím práce.


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: RNDr. Kateřina Veltruská, CSc. - A131, A132, tel. 2243, 2734, 2732 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:

[1] Dvorak, F; Camellone, MF; Tovt, A; Tran, N-D; Negreiros, FR; Vorokhta, M; Skala, T; Matolinova, I; Myslivecek, J; Matolin, V; Fabris, S Nat. Commun., 7 (Feb): Art. No. 10801 (8 pages), 2016.
[2] Trovarelli A., Catalysis by Ceria and Related Materials, Imperial College Press, London (2002), ISBN: 1-86094-299-7.
[3] Bond G.C.; Louis C.; Thompson D.T., Catalysis by Gold, Imperial College Press, London (2006), ISBN: 1-86094-658-5.
[4] Odborná literatura dle doporučení vedoucí práce


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) Příprava vrstev polykrystalického oxidu ceričitého a jejich charakterizace mikroskopií atomárních sil a skenovací elektronovou mikroskopii.
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 az 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.

English version:

https://is.cuni.cz/studium/dipl_st/index.php?id=&tid=&do=main&doo=detail&did=213722


C1 katalýza na modelových katalyzátorech na bázi oxidu ceru: Studium mechanizmů jednoduchých reakcí metodou vysokotlakého XPS
C1 catalysis on cerium oxide model catalysts: Study of simple reaction mechanism by high pressure XPS


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 vzácného 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 vyskytující se na povrchu katalyzátoru a chemickém stavu povrchu katalyzátoru přímo za podmínek blízkých reálným pracovním podmínkám katalyzátoru. Získané informace pomohou pochopit mechanizmy a cesty, kterými probíhají zmíněné chemické reakce na povrchu různě připravených modelových katalyzátorů na bázi oxidu ceru. 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. Rešerše literatury, týkající se problematiky vypsané práce.
3. Růst tenkých vrstev oxidu ceru (2-3 nm) definované orientace na povrchu monokrystalů Cu (111) a Ru (0001).
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 sepsaní 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. Odborné články podle doporučení vedoucího práce.


Studium tlakem indukovaných změn kovo-oxidických struktur na monokrystalických površích
Study of the pressure-induced changes of the single‑crystal‑supported metal-oxide structures


Vedoucí: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.

Anotace:

Kovo-oxidické struktury patří mezi jedny z nejvíce studovaných tříd objektů v povrchové fyzice díky širokému uplatnění v katalýze, solární energetice, medicíně atd. Do této skupiny patří i oxid ceru (CexOy), který je v katalýze využíván především pro svou ochotu oxidovat a redukovat se při relativně malých změnách vnějšího prostředí a pro svou schopnost vázat a uvolňovat kyslík ze svého objemu [1]. Stejně jako ostatní systémy, i interakce oxidu ceru s různými kovy byla doposud na atomární úrovni studovaná především ve zjednodušených podmínkách ultra-vysokého vakua (UHV).

V nedávném období se ukázalo, že i jednoduché a relativně inertní povrchy, které byly dlouho používané například ve studiích modelových katalyzátorů, mění svou strukturu pod vlivem zvýšeného tlaku plynů [2, 3, 4]. Například katalyticky aktivní povrch platiny (111) hrubne a výrazně rekonstruuje [2, 4]. Je pravděpodobné, že podobné výrazné změny povrchu nastávají i v případě oxidu ceru.

Náplní této práce bude zkoumání vlivu zvýšeného tlaku jednoduchých plynů (O2, CO, H2 …) na strukturu oxidu ceru na monokrystalických površích Pt(111) a Cu(111). Tlakem indukované změny povrchů budou zkoumané pomocí vysokotlaké skenovací tunelové mikroskopie (NAP-STM) a vysokotlaké rentgenové fotoelektronové spektroskopie (NAP-XPS). Výsledky práce budou sloužit jako základ pro další studium složitějších struktur na těchto površích za zvýšeného tlaku plynů.

Zásady pro vypracování:

1) Bibliografická rešerše.
2) Seznámení se s experimentálními metodami NAP-STM a NAP-XPS.
3) Příprava čistých monokrystalických povrchů Cu(111) a Pt(111) v ultra-vysokém vakuu.
4) Příprava definovaných vrstev oxidu ceru na monokrystalických površích Cu(111) a Pt(111).
5) Charakterizace připravených vzorků za přítomnosti různých plynů pomocí NAP-STM a NAP-XPS.
6) Vyhodnocení výsledků.
7) Sepsání diplomové práce.

Literatura:

[1] Trovarelli A., Catalysis by Ceria and Related Materials, Imperial College Press, London (2002)
[2] Tao F. et al., Science 327, 850-853 (2010)
[3] Eren B. et al., Science 351, 475−478 (2016)
[4] Tao F., Crozier P. A., Chem. Rev. 116, 3487−3539 (2016)
[5] Kittel, Charles, Introduction to Solid State Physics, Wiley (2004)