Vývoj elektrochemických senzorů na bázi oxidu ceru pro detekci látek znečišťujících životní prostředí

• Název práce v češtině: Vývoj elektrochemických senzorů na bázi oxidu ceru pro detekci látek znečišťujících životní prostředí
• Název v anglickém jazyce: Development of cerium oxide based electrochemical sensors for detection of environmental pollutants
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: Ing. Nataliya Tsud, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Využití anorganických materiálů pro vývoj organických elektrod s dobře definovanou morfologií a fyzikálně-chemickými vlastnostmi je slibnou cestou pro konstrukci nových snímacích zařízení pro monitorování polutantů životního prostředí. Kromě jiných materiálů se oxid ceričitý stal atraktivním kvůli svým specifickým elektronickým vlastnostem a úspěšné aplikaci v katalytických a zdravotnických systémech. Nedávno jsme ukázali, že tenké vrstvy oxidu ceru mohou být použity jako elektrodový materiál bez enzymů pro elektrochemickou detekci a detekci peroxidu vodíku (DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.205). Obecně je výzkum aplikace anorganického materiálu pro snímání a detekci organických molekul extrémně složitým úkolem a často je založen na empirických pozorováních. Očekává se, že modelové studie na různých úrovních složitosti umožní lépe pochopit roli elektrodového materiálu pro aplikace snímání.
V rámci této práci navrhujeme studovat a vyvinout elektrochemický modelový senzor založený na vrstvě oxidu ceru pro detekci běžně používaných herbicidů v zemědělství, tj. molekul glyfosátu, glufosinátu, bialafosu atd. Rozhodně je zapotřebí úsilí při vývoji citlivých a selektivních analytických metod pro implementace vhodných technologií pro on line a v reálném čase monitorování herbicidů a jejich sanace v kontaminovaných oblastech.
Podle přístupu zdola nahoru navrhujeme zkombinovat elektrochemické techniky (často používané pro vývoj snímacích systémů) spojené s technikami povrchové vědy pro hodnocení aktivity elektrod oxidu ceru oproti molekulám herbicidu. Elektrochemická měření budou prováděna s využitím metod cyklické voltametrie, chronoamperometrie a elektrochemiluminiscence ke stanovení citlivosti, detekčních limitů a linearity snímacího systému. Tato část bude provedena v úzké spolupráci s Dr. Alessandrou Zanut z Katedry Chemických Věd Univerzity v Padově, Itálie, která má rozsáhlé odborné znalosti ve výše uvedených elektrochemických technikách a jejich aplikaci ve snímacích zařízeních. Povrchová analýza elektrod technikami založenými na synchrotronovém záření (SRPES, RPES, NEXAFS atd.) bude provedena na optické dráze pro materiálový výzkum (MSB, Materials Science Beamline) synchrotronu Elettra v Terstu, Itálie. Studie bude těžit z klasického přístupu povrchové vědy, který poskytuje pohled na změny elektronické struktury povrchu, které mohou být zodpovědné za citlivost senzoru. Navíc použijeme robustní, reprodukovatelnou a cenově dostupnou techniku přípravy cerových elektrod, která již byla vyvinuta v našem oddělení pro potenciální snímací zařízení. Na základě získaných výsledků budou provedeny průzkumné experimenty, které určí, zda lze výkon senzorů (mez detekce, linearita, stabilita) zlepšit změnou morfologie oxidových filmů.
Očekává se, že tento projekt podpoří formování mladých vědců a posílí pokračující spolupráci mezi Univerzitou Karlovou a Univerzitou v Padově. Mezi univerzitami si budou vyměňovat vysoce hodnotná data a znalosti s cílem optimalizovat výsledky výzkumu a dosáhnout důležitých milníků v používání filmů oxidu ceru pro snímání a zelené technologie.

Seznam odborné literatury

1. Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy, D. Briggs, J. T. Grant, IMPublications, Chichester, UK and SurfaceSpectra, Manchester, UK, 2003, ISBN: 1‐901019‐04‐7.
2. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, London, UK, 2002, ISBN: 978-1-86094-299-0.
3. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd Edition, by A. J. Bard, L. R. Faulkner, H. S. White, Willey, 2022, ISBN-13: 978-1119334064

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Usage of inorganic materials for the development of organic electrodes with well-defined morphology and physicochemical properties is a promising route for the construction of novel sensing devices for monitoring of the environmental pollutants. Among other materials, cerium dioxide became attractive because of its specific electronic properties and successful applications in catalytic and healthcare systems. Recently, we showed that cerium oxide thin films can be used as an enzyme-free electrode material for electrochemical detection and quantification of hydrogen peroxide (DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.205). In general, research on application of an inorganic material for sensing and detection of organic molecules is an extremely complex task and is often based on empirical observations. Model studies at various levels of complexity are expected to better understand the role of electrode material for sensing applications.
Herein, we propose to study and develop an electrochemical model sensor based on cerium oxide film for the detection of commonly used herbicides in agriculture, i.e. glyphosate, glufosinate, bialaphos molecules, etc. Efforts are definitively needed in developing sensitive and selective analytical methods for the implementation of proper technologies for the on line and real time monitoring of herbicides and their remediation in contaminated areas.
Following a bottom-up approach, we propose to combine electrochemical techniques (often used for sensing system development) coupled with surface science techniques to assess activity of cerium oxide electrodes versus herbicide molecules.
Electrochemical measurements will be performed using cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrochemiluminescence methods to determine sensitivity, detection limits and linearity of the sensing system. This part will be carried out in close cooperation with Dr. Alessandra Zanut from the Department of Chemical Science, University of Padova, Italy, which has extensive expertise in the electrochemical techniques mentioned above and their application in sensing devices. The electrode surface analysis will be performed by synchrotron radiation based techniques (SRPES, RPES, NEXAFS, etc.) at the Materials Science Beamline of Elettra Sincrotrone, Trieste.
The study will benefit from the classic surface science approach that gives insight on electronic structure changes of the surface that may be responsible for sensor sensitivity. In addition, we will use a robust, reproducible, and affordable technique for preparation of cerium electrodes which has been already developed in our department for potential sensing devices. Based on the results obtained, exploratory experiments will be carried out to determine whether the performance of the sensors (detection limit, linearity, stability) can be improved by changing the morphology of the oxide films.
This project is expected to favour the formation of young researchers and to strengthen ongoing collaborations between Charles University and University of Padova. High-value data and knowledge will be exchanged among universities to optimize the research results and reach important milestones in the use of cerium oxide films for sensing and green technologies.