Katedra fyziky povrchů a plazmatu

Nabídka témat diplomových prací pro šk. rok 2023/2024

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

POZOR! Neprohlížíte aktuálně vyhlášená témata.

cepice Katedra fyziky povrchů a plazmatu vypisuje pro školní rok 2023/2024 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 nanomateriálů

Fyzika a chemie nízkoteplotního plazmatu pro čištění reaktoru tokamaku od tekutých kovů
Low-temperature plasma physics and chemistry for cleaning tokamak vessel from liquid metals


Vedoucí: Prof. RNDr. Milan Tichý, DrSc. - A031, tel. 2305, 2332 (fax)
Konzultant: Doc. Mgr. Pavel Kudrna, Dr. - A030, tel. 2225, Mgr. Martin Čada, PhD.

Anotace:

Součásti první stěny z tekutých kovů v zařízeních typu tokamak jsou vysoce odolné a současně působí jako chladicí médium. Pro ITER a DEMO tokamaky jsou plánovány divertory tokamaků z tekutých kovů využívající lithium nebo cín. Cín (Sn) je dobrým kandidátem díky svému nízkému tlaku par, nízké reaktivitě s vodíkem a dobré odolnosti vůči interakci s neutrony. Nevýhodou je vyšší přítok nečistot do plazmatu a kondenzace par kovu na stěně tokamaku. Čištění usazenin ze stěn nádoby představuje problém, který musí být vyřešen v systémech využívajících tokamakový divertor tokamaku s tekutým kovem.

Cílem navrhované práce je systematické studium chování pevného vzorku Sn vystaveného nízkoteplotnímu proudícímu výbojovému plazmatu ve vzácných a molekulárních plynech, např. Ar, Kr, H2, N2, se zaměřením na erozi a/nebo opětovné ukládání cínu. Vzorky budou připraveny odpařováním nebo magnetronovým naprašováním Sn na nerezové substráty ve vysokovakuovém systému odděleném od výbojové vakuové nádoby a poté vystaveny proudícímu hustému výbojovému plazmatu. Připravené i zpracované vzorky budou studovány pomocí metod povrchové analýzy.

Pro studium bude použit UHV systém s generováním nízkoteplotního plazmatu plazmovou tryskou, magnetronem a termionickou katodou. Potřebné experimentální zařízení v naší laboratoři je plně funkční. Téma bylo navrženo k financování Grantové agentuře ČR.

Zásady pro zpracování:

  1. Seznámení se s experimentální aparaturou.
  2. Vytvoření vzorků s vrstvou cínu různými depozičními metodami.
  3. Aplikace proudícího plazmatu na vzorky za různých experimentálních podmínek.
  4. Studium vzorků před a po interakci pomocí dostupných metod analýzy povrchů.
  5. Vypracování písemné zprávy.

Literatura:

Bimetalické nanomateriály pro heterogenní katalýzu a nejen pro ni
Bimetallic nanomaterials for heterogeneous catalysis and beyond


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

Anotace:

Tenkovrstvé materiály se strukturami v rozměrech řádu nanometrů vykazují často velmi zajímavé vlastnosti odlišné od objemových. Díky tomu se i při využití jednoho kovového prvku otevírá poměrně široký prostor pro „vyladění“ na požadované parametry pomocí kontroly atomárního uspořádání a oxidačního stavu. V případě tzv. binárních systémů je pak škála dosažitelných vlastností ještě mnohem pestřejší. V naší skupině se zabýváme různými typy vícleskožkových nanomateriálů, od klasického uspořádání kovových klastrů nesených na oxidech, po binární systémy, jejichž základ tvoří směsný oxid nebo slitinové kovové nanočástice. Potenciální využití takových struktur je pak velmi široké od heterogenní katalýzy, elektrokatalýzy, fotokatalýzy, detekce plynů, přes magnetooptické aplikace až po mikroelektroniku a supravodivost.

Předmětem této diplomové práce bude nelezení parametrů přípravy vybraného binárního systému depoziční metodou dle aktuálních potřeb probíhajících projektů ve skupině fyziky povrchů a jeho podrobná charakterizace technikami povrchové analýzy. Bude podrobněji studována stabilita připraveného materiálu za různých podmínek, především v závislosti na teplotě a expozice plyny.

K dispozici je ultravakuová aparatura kombinující spektroskopické a strukturní metody, konkrétně rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii (XPS), rastrovací tunelovou mikroskopii (STM), difrakci pomalých elektronů (LEED) a hmotnostní spektrometrii (QMS) s metodami pro přípravu čistých a dobře definovaných povrchů, tenkých vrstev a nanostruktur.

Modely bimetalických nanočástic Rh-Pt nesených na tenké orientované vrstvě oxidu kobaltu, demonstrující dva možné typy uspořádání – core-shell struktura (vlevo) a nanoslitina (vpravo).

Zásady pro vypracování:

1. Seznámení se s potřebnými metodami přípravy vzorků a jejich povrchové analýzy. 2. Příprava tenkovrstvých modelových binárních systémů s dobře definovanou strukturou a složením fyzikálními metodami. 3. Charakterizace vzorků pomocí dostupných metod fyziky povrchů a studium vlivu teploty a a interakce s plyny na jejich složení, morfologii a elektronickou strukturu. 4. Zpracování experimentálních dat a jejich interpretace.

Literatura:

[1] Eckertová L. a kol.: Metody analýzy povrchů - elektronová spektroskopie, Academia, Praha (1990); Eckertová L. a kol.: Metody analýzy povrchů - elektronová mikroskopie a difrakce, Academia, Praha (1996) [2] J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis: An Introduction, John Wiley & Sons (2000); Zangwill A.: Physics at Surfaces, Cambridge University Press, Cambridge (1988) [3] Henry, C.R.: Surface studies of supported model catalysts, Surface Science Reports 31(7-8) (1998) 235; Campbell, C.T.: Ultrathin metal films and particles on oxide surfaces, Surface Science Reports 27(1-3) (1997) 1; J.A. Rodriguez: Physical and chemical properties of bimetallic surfaces, Surface Science Reports 24 (1996) 223 [4] Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.

Výzkum katalyzátorů palivových článků pomocí elektrochemické mikroskopie atomárních sil
Investigating fuel cell catalysts using electrochemical atomic force microscopy


Vedoucí: Doc. 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. Je proto nutné podrobně popsat degradační proces, což pomůže vyvinout odpovídající strategie potlačení nežádoucích procesů degradace vedoucí k robustnějšímu katodovému katalyzátoru pro PEMFC.

Cílem diplomové práce je charakterizace katalyzátoru pro palivové články připravené metodou magnetronového naprašování pomocí elektrochemické mikroskopie atomárních sil (EC-AFM). EC-AFM umožňuje provádět simulace provozních podmínek palivového článku v elektrochemické cele a současně vizualizovat změny v morfologii katalyzátoru.

Zásady pro vypracování:

1) Rešerše literatury. 2) Seznámení s metodou magnetronového naprašování, EC-AFM a funkčními principy palivových článků s polymerní membránou 3) Příprava tenkých vrstev katalyzátorů magnetronovým naprašováním. 4) Studium morfologie během elektrochemické simulace podmínek palivového článku v elektrochemické cele EC-AFM. 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 pro vodíkové technologie prostřednictvím elektronové mikroskopie
Electron microscopy study of catalytic layers for hydrogen technologies


Předběžní zájemci: Sixtová Kateřina
Vedoucí: Mgr. Jaroslava Nováková, Ph.D.

Anotace:

Současný trend ve využívání obnovitelných zdrojů čím dál, tím víc nahrává vodíkovým technologiím. Vývoj pokročilých a cenově efektivních katalyzátorů je jedním z klíčových faktorů pro jejich větší dostupnost široké veřejnosti. Konečné vlastnosti katalytické vrstvy jsou ovlivněné její složením, strukturou a morfologii, proto je důležité mít nad těmito faktory přesnou kontrolu. Elektronová mikroskopie je dnes nepostrádatelným nástrojem pro studium nanomateriálů. V kombinaci s doplňkovými elektronovými spektroskopiemi tak poskytuje informace o chemickém složení, struktuře a morfologii vzorku.

V této diplomové práci bude použitá skenovací elektronová mikroskopie (SEM) ke studiu morfologie katalyzátoru, transmisní elektronová mikroskopie (TEM) ke studiu struktury a krystalografie vzorku. Doplňková elektronově-disperzní rentgenová spektroskopie (EDS) určí prvkové zastoupení jednotlivých elementů ve vrstvě. Studium vícesložkových katalytických vrstev palivových článků před a po reakci tak pomůže k vývoji nových a efektivnějších katalyzátorů, čím zlepší jejich dostupnost.

Zásady pro vypracování

1. Bibliografická rešerše 2. Studium morfologie katalyzátoru pomocí SEM 3. Studium struktury a krystalografie vzorku pomocí TEM (HRTEM, STEM) 4. Určení složení prostřednictvím EDS 5. Analýza získaných výsledků a sepsání diplomové práce

Literatura:

1. D.B. Williams, C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy, Springer, New York, USA, (2009), ISBN 978-0-387-77502-0. 2. Liang An, T.S. Zhao. Anion Exchange Membrane Fuel Cells. Principles, Materials and Systems. Springer, Cham 2018, ISNB 978-3-319-71370-0. 3. 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

Studium aktivity katalyzátoru PtCeOx a PdCeOx v alkalickém prostředí
Activity study of PtCeOx and PdCeOx catalyst in alkaline medium


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

Anotace:

Výroba a využití vodíku pro výrobu elektřiny získávají na dynamice díky přechodu na uhlíkově neutrální ekonomiku. Alkalické palivové články a vodní elektrolyzéry by mohly tento proces usnadnit a navrhnout udržitelnější řešení s menším množstvím kovů platinové skupiny ve srovnání s tradičními systémy pracujícími v kyselém prostředí. Stále je však zapotřebí katalyzátor s vyšší aktivitou vůči reakcím oxidace/evoluce vodíku (HOR/HER). 

Současná práce je zaměřena na výzkum HOR/HER v alkalickém prostředí na modelových katalyzátorech na bázi Pt(Pd)CeOx pomocí rotační diskové/kruhové elektrodové metody (R/RDE) a cílí na objasnění souvislostí mezi aktivitou katalyzátoru a jeho strukturou a složením. V rámci tohoto projektu budou katalyzátory Pt(Pd)CeOx  s různým složením připraveny magnetronovým naprašováním a následně analyzovány pomocí technik skenovací elektronové mikroskopie (SEM), přidružené energiově disperzní rentgenovské spektroskopie (EDX), mikroskopie atomárních sil (AFM) a fotoelektronové spektroskopie (XPS). Hodnocení aktivity bude provedeno na základě Tafelových a Levichových grafů, měřených v alkalickém médiu.

Vypracování: 

  1. Studium doporučené literatury
  2. Seznámení s metodami AFM, SEM, EDX, XPS, R/RDE
  3. Zvládnutí techniky magnetronového naprašování.
  4. Charakterizace připravených vrstev pomocí AFM, SEM, EDX, XPS, R/RDE
  5. Studium aktivity katalyzátoru pomocí R/RDE
  6. Zpracování výsledků a sepsání diplomové práce.
 

Literatura

  1. Liang An, T.S. Zhao. Anion Exchange Membrane Fuel Cells. Principles, Materials and Systems. Springer, Cham 2018, ISNB 978-3-319-71370-0.
  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. R. Zhao, X. Yue, Q. Li, G. Fu, J. Lee, S. Huang, Recent Advances in Electrocatalysts for Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction, Small. 17 (2021) 2100391.