Nové nanostrukturní katalyzátory pro palivové články II: mikročlánky na čipu

• Název práce v češtině: Nové nanostrukturní katalyzátory pro palivové články II: mikročlánky na čipu
• Název v anglickém jazyce: Novel nanocatalysts for fuel cells II: micro-fuel cells on chip
• Klíčová slova: Pt-CeOx, lamela, SEM-FIB, EDX, XPS
• Klíčová slova anglicky: Pt-CeOx, lamella, SEM-FIB, EDX, XPS
• Akademický rok vypsání: 2013/2014
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: prof. Mgr. Iva Matolínová, Dr.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 04.10.2013
• Datum zadání: 17.10.2013
• Datum potvrzení stud. oddělením: 17.02.2014
• Datum a čas obhajoby: 22.06.2016 00:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 23.05.2016
• Datum odevzdání tištěné podoby: 23.05.2016
• Datum proběhlé obhajoby: 22.06.2016
• Oponenti: doc. RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.
• Konzultanti: prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc.

Zásady pro vypracování

1. Seznámení se se skenovacím elektronovým mikroskopem (SEM), systémem fokusovaného iontového svazku (FIB) a metodami chemické analýzy vzorků – rentgenovské fotoelektronové spektroskopie (XPS) a energiově disperzní spektroskopie (EDX).
2. Zvládnutí práce s mikroskopy typu LYRA a MIRA včetně postupů přípravy vzorků tenkých vrstev pro transmisní elektronovou mikroskopii (TEM).
3. Seznámení se s metodou přípravy vrstev na bázi oxidu ceru magnetronovým naprašováním.
4. Studium morfologie a složení připravených vrstev pomocí SEM, EDX a XPS.
5. Příprava vzorků do podoby tenkých lamel vhodných pro TEM se zaměřením se na
parametry přípravy ochranné vrstvy.
6. Přenesení vytvořených lamel na držák vzorků pro TEM a jejich pozorování pomocí detektoru prošlých elektronů v SEM.

Seznam odborné literatury

Focused Ion Beam Systems, Basics and Applications, Edited by NanYao, Cambridge University Press, 2007.
PEM Fuel Cell Diagnostic Tool, edited by Haijiang Wang, CRC Press, 2012.
Články z odborných časopisů dle dohody s vedoucí práce.

Předběžná náplň práce

Alternativní zdroje energie zaznamenávají během posledních let obrovský rozvoj. Nárůst výroby solární a větrná energie ale přináší i mnoho problémů vzhledem velmi omezeným možnostem regulace výroby elektřiny. To vede k přetěžování energetických soustav v důsledku akumulace energetických přebytků. Z tohoto důvodu je nezbytné doplnit tyto zdroje dalšími, které vedle produkce nezatěžující ovzduší skleníkovými plyny navíc umožní i plynulou regulaci a tím vyrovnávání energetických špiček.

Výroba elektrické energie z vodíku pomocí palivových článků představuje takovou alternativu. Palivové články s polymerní membránou (proton exchange membrane fuel cells PEMFC) se vyznačují provozem při nízké teplotě, nízkou hmotností a vysokou rychlostí změn výkonu. Proto jsou vhodné pro mobilní aplikace (auta na vodíkový pohon, zdroje k mobilním elektronickým systémům), jako lehké zdroje pro lokální vytápění s možností dálkově řízené regulace výkonu a v neposlední řadě v kombinaci s elektrolyzéry k uchovávání přebytků energie (energy storage) v procesu elektřina-vodík-elektřina.

PEMFs jsou napájeny buď plynným vodíkem, anebo kapalnými médii s vysokou energetickou hodnotou (např. metanol). Srdcem článku je katalyzátor, který rozkládá palivo na protony a elektrony (anoda). Protony procházejí iontově vodivou membránou a jsou následovány elektrony vytvářejícími elektrický proud a na druhé straně membrány reagují na katodovém katalyzátoru s kyslíkem ze vzduchu na vodu. Katalyzátory, jsou v současné době tvořeny nanopráškovou platinou, což celý systém velmi prodražuje.

Na našem pracovišti jsme vyvinuli zcela nový typ katalyzátoru chráněný americkými a japonskými patenty, který v podobě nanostrukturních tenkých vrstev oxidu ceru dopovaných malým množstvím Pt iontů vytvářenými v plazmatu deponujeme magnetronovým naprašováním na nanoporézní uhlíkové nosiče (uhlíkové nanotrubky nebo porézní vrstvy). Podrobnosti o nových materiálech lze najít např na iFORUM UK. V současné době je další výzkum podporován především Evropským projektem "Design of Thin-Film Nanocatalysts for On-Chip Fuel Cell Technology" a projektem GAČR "Nové materiály pro planární palivové články". První testy ukázaly, že cena na jednotku výkonu je až 100 x nižší než v případě čisté platiny.

Využití techniky depozice tenkých vrstev umožňuje kombinovat růst vrstev s planárními technologiemi známými z polovodičového průmyslu a tak připravit miniaturní mikročlánky inegrované na křemíkových čipech (viz projekt chipCAT) pro přímé napájení elektronických obvodů.

Navrhovaná bakalářská práce bude zaměřena na studium chemických a strukturních vlastností katalytických vrstev Pt-CeOx pomocí pokročilých metod povrchové analýzy a mikroskopie s vysokým rozlišením. Cílem práce bude pochopení vlivu parametrů růstu vrstev na jejich fyzikálně chemické vlastnosti a aktivitu v PEMFC.

Experimentální metody studia budou především fotoelektronová spektroskopie XPS, řádkovací elektronová mikroskopie SEM s chemickou analýzou EDX a řádkovací mikroskopie atomárních sil AFM a EDX analýza lamel připravených metodou fokusovaného iontového svazku FIB - SEM.

Vrstvy budou připravovány metodou magnetronového naprašování na křemíkové wafery pokryté vrstvami nanoporézního uhlíku.

http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/bak-abs.php?id=186

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/bak-abs.php?id=186