Student: Korbut Oleksander
Školitel: Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.
Konzultant: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc.
Stav práce: přerušená
Abstrakt:
Aktivní složkou heterogenních katalyzátorů v mnoha průmyslově relevantních chemických reakcích jsou nanočástice drahých kovů (Pt, Pd, Rh) dispergované na povrchu oxidové matrice [1]. Vysoká cena kovového dopantu je ekonomicky svazující a zabraňuje rozšíření pokročilých katalytických aplikací, například palivových článků jako zdrojů energie v automobilech a mobilních zařízeních [2]. Protože katalyzované chemické reakce probíhají na povrchu katalyzátorů, je jednou z cest ke snížení obsahu drahých kovů jejich disperze ve formě co nejmenších částic. Limitním případem takovéto disperze je stabilizace jednotlivých atomů drahých kovů na povrchu oxidového nosiče [3]. V současné době se systémy s dispergovanými kovovými atomy díky dosahované teplotní a chemické stabilitě stávají použitelnými v praktických aplikacích a tvoří novou třídu pokročilých katalyzátorů, takzvaných „single atom catalysts“ [4]. Cílem vypisované práce je příprava, charakterizace a studium fyzikálně-chemických vlastností modelových katalyzátorů pro katalýzu na jednotlivých atomech. Klíčová je identifikace materiálů kov-oxid, které dispergovaným kovovým atomům poskytnou dostatečně silnou vazbu bránící jejich shlukování v podmínkách chemické reakce (vyšší teploty a tlaky reaktaantů). Modelové katalyzátory budou charakterizovány experimentálnímí metodami fyziky povrchů z hlediska jejich morfologie, elektronové struktury, stechiometrie a oxidačního stavu. Zjištěné charakteristiky modelových katalyzátorů budou korelovány s výsledky měření reaktivity a selektivity těchto katalyzátorů ve vybraných chemických reakcích jednoduchých i složitějších molekul. Poznatky získané během práce rozhodujícím způsobem přispějí k rozvoji rostoucího výzkumného směru katalýzy na jednotlivých atomech. Práce bude probíhat v zavedené pracovní skupině, která má k dispozici široké spektrum experimentálních technik fyziky povrchů od mikroskopie s atomárním rozlišením [5] přes chemicky citlivé spektroskopie [6] až po chemické reaktory. Výzkum je prováděn v úzké spolupráci s výzkumnými skupinami v Německu, Japonsku a USA. Výzkumné pobyty v partnerských laboratořích jsou součástí doktorského studia.
Doporučená literatura:
[1] G. Ertl a kol., Handbook of Heterogeneous Catalysis (WILEY-VCH, Německo, 2008).
[2] “Mass Production Cost Estimation for Direct H2 PEM Fuel Cell Systems for Automotive Applications: 2012 Update,” Brian D. James & Andrew B. Spisak, Strategic Analysis, Inc., 18 October 2012.
[3] A. Bruix, a kol., Maximum Noble-Metal Efficiency in Catalytic Materials: Atomically Dispersed Surface Platinum, Angew. Chem.-Int. Edit., 53 (39): 10525–10530, 2014.
[4] X.-F. Yang, A. Wang, B. Qiao, J. Li, J. Liu, T. Zhang, Single-Atom Catalysts: A New Frontier in Heterogeneous Catalysis Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1740-1748.
[5] C. Julian Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy (Oxford University Press, USA, 2007).
[6] L. Eckertová a kol., Metody analýzy povrchů. Elektronová spektroskopie (Academia, ČR, 1990).