Katalyzátory založené na kombinaci kovů skupiny železa a reducibilních oxidů

Student: Uvarov Vitalii
Školitel: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.
Stav práce: zadaná

Anotace:

Heterogenní katalyzátory založené na kombinaci přechodných kovů skupiny železa (Fe, Co, Ni) a reducibilního oxidu (typicky CeO2) mohou být účinnou náhradou za dosavadní tradiční katalyzátory spoléhající na přítomnost aktivních vzácných kovů (Pt, Pd, Rh, Au, Ir, ...). Cílem bude systematický vývoj nových materiálů založených na výše zmíněné kombinaci kovů skupiny železa a reducibilního oxidu a jejich charakterizace ze strukturního, elektronického i povrchově-chemického hlediska. Uvažovány budou různé systémy od oxidem nesených kovových nanočástic, směsných nebo dopovaných oxidů, nanoslitinových struktur, až po inverzní uspořádání nespojitého oxidu na kovové vrstvě.

U připravených materiálů bude sledována interakce s vybranými molekulami, relevantními pro důležité chemické reakce jako např. oxidace CO, disociace H2O, dehydrogenace nebo reformování uhlovodíků, oxidace alkoholů apod. Bude sledována reaktivita, selektivita a stabilita katalyzátorů ve vybraných reakcích.

Základem bude experimentální práce kombinující in-situ modelové studie v ultravysokém vakuu (UHV) s ex-situ měřeními v reálných reakčních podmínkách. Hlavními využívanými metodami budou termodesorpční spektroskopie (TPD) a tepelně-programovaná reakce (TPR), fotoelektronová spektroskopie (XPS/SRPES), případně difrakce pomalých elektronů (LEED). Očekává se zároveň syntéza výsledků těchto metod s výstupy získanými dalšími členy týmu pomocí komplementárních technik dostupných v rámci pracovní skupiny fyziky povrchů resp. spolupracujících pracovišť, jmenovitě STM, RHEED, RAIRS, SEM, případně AFM. V průběhu studia můžoou být zařazeny experimenty na některém z externích pracovišť, např. na sychrotronu Elettra (Terst) nebo Bessy II (Berlín).

Zásady pro vypracování:

  1. Seznámení se s experimentálními metodami TDS (termodesorpční spektroskopie) a efúzních molekulárních svazků, XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie).
  2. Zjištění současného stavu poznání v oblasti katalýzy pomocí systémů založených na kombinaci kovů skupiny železa a oxidu céru.
  3. Zvládnutí přípravy vzorků v UHV metodou CVD (chemical vapor deposition) – napařování tenkých vrstev oxidů a kovů na monokrystalický substrát, v pokročilejší fázi kovových klastrů s různými paramatery na povrchy oxidů.
  4. Zvládnutí přípravy vzorků metodou magnetronového naprašování.
  5. Měření katalytické aktivity připravených tenkovrstvých materiálů metodami TPD, TPR. Interpretace výsledků v souvislosti s morfologickou a elektronickou strukturou vzorků získanou metodami XPS, LEED a STM, případně dalšími.
  6. Průběžně zpracovávání experimentálních dat a publikování výsledků v impaktovaných časopisech. Prezentování výsledků na mezinárodní konferenci nebo workshopu.

Literatura:

1. Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2008, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany.
2. Che, M. and J.C. Védrine eds. Characterization of Solid Materials and Heterogeneous Catalysts: From Structure to Surface Reactivity. 2012, Wiley‐VCH: Weinheim.
3. Freund, H.J., et al., Cluster, facets, and edges: Site-dependent selective chemistry on model catalysts. Chemical Record, 2003. 3(3): p. 181-200.
4. Henry, C.R., Surface studies of supported model catalysts. Surface Science Reports, 1998. 31(7-8): p. 235-325.
5. Vedrine, J.C., Metal Oxides in Heterogeneous Catalysis. 1 ed. 2018: Elsevier. 618.
6. Mullins, D.R., The surface chemistry of cerium oxide. Surface Science Reports, 2015. 70(1): p. 42-85.