zobrazit předchozí rok (2019/2020), další rok (2021/2022)
POZOR! Neprohlížíte aktuálně vyhlášená témata.
Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2020/2021 následující témata diplomových prací.
Zájemce prosíme, aby se zapisovali v sekretariátu KFPP ve 2. patře KO Troja.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.