Bimetalické tenké vrstvy 3d kovů pro katalytickou konverzi CO2

Student: Dalíková Johana
Vedoucí: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.
Stav práce: zadaná

Anotace:

Katalytická konverze oxidu uhličitého na užitečné organické látky (např. uhlovodíky, alkoholy, karboxylové kyseliny, syntetický plyn) je jedním z velkých témat současného materiálového výzkumu v oblasti katalýzy pro environmentální a energetické aplikace. Předmětem této bakalářské práce bude využití tenkých naprašovaných vrstev obsahujících dva kovy, případně jejich oxidy. Zde konkrétně 3d-kovy skupiny železa (jmenovitě Fe, Co, Ni, Cu), které se jeví pro tento účel jako obzvláště vhodné a přitom mnohem dostupnější a levnější než v heterogenní katalýze nejběžněji používané vzácné kovy.Výhodnost kombinace více kovů spočívá v jejich různých schopnostech aktivovat disociaci vazeb H-H, C-O a O-H, díky čemuž lze pomocí přesného složení a mikrostruktury bimetalického materiálu „ladit“ jeho katalytické vlastnosti, především z hlediska reakční selektivity. Konkrétní výběr kovů učiní student na základě studia aktuální literatury po konzultaci s vedoucím.

Úkolem bude jak příprava samotných vrstev, tak jejich chemická a fyzikální analýza metodami fyziky povrchů a následné měření konverze (hydrogenace) CO2 za přítomnosti H2 a/nebo H2O při různých teplotách a stability vrstev v těchto podmínkách. Pro měření ve vyšších tlacích bude dispozici laboratorní mikroreaktor využívající hmotový spektrometr, pro měření v nižších tlacích pak UHV aparatura vybavená metodami rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), teplotně-programované desorpce (TPD) a difrakce pomalých elektronů (LEED). V případě potřeby bude uchazeči umožněn přístup i k dalším analytickým metodám, např. rastrovací elektronové mikroskopii (SEM), mikroskopii atomárních sil (AFM) nebo infračervené reflexně-absorpční spektroskopii (RAIRS).

Zásady pro vypracování:

1. Seznámení se s potřebnými metodami přípravy vzorků a jejich povrchové analýzy, především s magnetronovým naprašováním, kvadrupólovou hmotovou spektrometrií (QMS) a metodami teplotně-programované reakce (TPR) a teplotně-programované desorpce (TPD).
2. Příprava tenkovrstvých modelových binárních systémů.
3. Charakterizace vzorků pomocí dostupných metod fyziky povrchů a studium jejich katalytických vlastností pro hydrogenaci CO2.
4. Zpracování experimentálních dat a jejich interpretace.

Literatura:

• [1] Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Germany (2008)
• [2] F.A. White and G.M. Wood, Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis: An Introduction, John Wiley & Sons (2000); Eckertová L. a kol.: Metody analýzy povrchů - elektronová spektroskopie, Academia, Praha (1990)
• [3] X. Jiang et al.: Recent Advances in Carbon Dioxide Hydrogenation to Methanol via Heterogeneous Catalysis, Chem. Rev. 120 (15) (2020) 7984; S. Saeidi et al.: Hydrogenation of CO2 to value-added products—A review and potential future developments, J. CO2 Utiliz. 5 (2014) 66; L. Wang et al.: Cobalt−Nickel Catalysts for Selective Hydrogenation of Carbon Dioxide into Ethanol, ACS Catal. 9 (2019) 11335
• [4] J.A. Rodriguez: Physical and chemical properties of bimetallic surfaces, Surf. Sci. Rep. 24 (1996) 223
• [5] Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.