Studium mechanizmu katalytických reakcí na systémech CeOx–kov

• Název práce v češtině: Studium mechanizmu katalytických reakcí na systémech CeOx–kov
• Název v anglickém jazyce: Study of catalytic reaction mechanism on the cerium oxide–metal systems
• Akademický rok vypsání: 2017/2018
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Václav Nehasil, Dr.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 20.09.2017
• Datum zadání: 20.09.2017
• Datum potvrzení stud. oddělením: 03.10.2017

Zásady pro vypracování

1) Příprava a charakteristika modelových systémů kov – oxid, sledování jejich elektronové struktury metodami elektronové spektroskopie.
2) Studium reaktivity připravených systémů v závislost ne chemickém stavu podložky, zejména na jejím oxidačním stupni. Sledovat vliv orientace povrchu na katalytické vlastnosti vzorků..
3) Diskuse a interpretace výsledků, prezentace na odborných konferencích a v časopisech
4) Sepsání dosažených výsledků do disertační práce.

Seznam odborné literatury

1) W. Rudzinski, D.H. Everet, Adsorption of Geses on Heterogeneous Surfaces, Academic Press Ltd., London, 1992.
2) D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis, John Willey and Sons, Chichester, England, 1990.
3) C. T. Campbell, Surf. Sci. Rep. 27 (1997).
Články v odborných časopisech podle dohody studenta s vedoucím práce.

Předběžná náplň práce

Systémy kov – oxid nacházejí široké uplatnění v heterogenní katalýze v praxi i v základním výzkumu. Reaktivitu těchto katalyzátorů ovlivňuje interakce podložky s aktivním kovem, která bývá silně závislá na oxidačním stupni podložky. Aktivní podložkou rozumíme takovou, která podporuje reakci například tak, že uvolňuje kyslík potřebný pro katalytickou oxidaci (například CeOx a oxidace CO). Proces katalytické reakce je potom komplikovaný,

Katalytické vlastnosti oxidu ceru obohaceného přechodovými kovy jsou široce využívány v praxi a současně studovány pro optimalizaci chemických reakcí i pro porozumění jejich mechanizmu. Vlastnosti připravených systémů ovlivňuje interakce obou složek, oxidační stupeň podložky (oxidu ceru) a morfologické i chemické vlastnosti přidaného kovu. Oxid ceru patří mezi takzvané aktivní podložky, což znamená, že sám podporuje reakci. Děje se to že uvolňováním kyslíku pro ni potřebného. Proces katalytické reakce je potom komplikovaný, protože s nižším oxidačním stupněm podložky může být rychlost reakce nedostatkem kyslíku snížena, na druhé straně ale kyslíkové vakance představují adsorpční pozice s vysokou aktivitou. Přechodový kov na povrchy představuje aktivní centra reakce, zatímco v objemu oxidu ceru ovlivňuje difúzi kyslíku k povrchu. Jedná se tedy o komplexní proces, který je zajímavý z hlediska vědeckého, ale má i značný význam v praxi.
Ve vypsané disertační práci budeme pokračovat ve výzkumu prováděném ve skupině povrchů na KFPP, který se týká reaktivity heterogenních katalyzátorů tvořených vrstvami aktivních kovů (Rh, případně Pd, Pt atd.) deponovaných fyzikálními metodami (napařování, naprašování). Podařilo se najít podmínky pro přípravu orientovaných vrstev oxidu ceru - orientace (111) a (110). S těmito vrstvami je možno provádět modelové studie reaktivity v závislosti na jejich orientaci a elektronové struktuře a porovnávat je s chováním systémů bližších praxi, například polykrystalickými vrstvami oxidu ceru připravených magnetronovým naprašováním. Studovanými modelovými reakcemi budou hlavně katalytická oxidace CO, případně reakce WGS (Water Gas Shift) a interakce s metanolem.
Téma práce bude řešeno experimentálně. Využijeme metody XPS a SRPES pro sledování složení a systému, jeho chemického stavu a elektronové struktury, které jsou pro reaktivitu určující. Metodou LEED budem sledovat povrchovou orientaci vzorků. Reaktivitu a interakci molekul plynu s povrchem budeme zkoumat pomocí metody Termodesorpční spektroskopie a Molekulární svazky. Aparatura je vybavena komplexním rozvodem plynů, kde krom běžných plynů využíváme i plyny izotopicky značkované (29CO, 31CO, 18O). Proto můžeme sledovat výměnu molekul v studovaném systému při reakcích, odlišit reakce, které se dějí na jeho povrchu a v objemu a vysvětlit tak lépe děje, ke kterým dochází.

http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/dis-abs.php?id=328

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Oxidation state of CeOx substrates and its influence on the catalytic reaction are intensively studied. Interaction of the oxide with transition metals can determine the complex properties of the studied system. Electronic structure and morphology parameters of both components, oxide as well as dispersed metal, are crucial parameters of studied systems.
During the proposed doctoral work, the results obtained by means of electron spectroscopy (XPS, SRPES) will be compared with the catalytic behaviour of studied samples. Interaction with gases (adsorption properties, reactivity) will be observed using the Thermo Programmed Desorption -TPD, and Molecular beams - MB. We will study model oriented surfaces of CeOx - orientations (111) an (110) and compare them to polycrystalline systems which are similar to the catalysts used in the practice. Reaction mechanism will be studied using isotopically marked gases as 29CO, 31CO, 18O, as well as the “normal” 28CO and 16O to reveal the reaction mechanism.

http://physics.mff.cuni.cz/kfpp/php/dis-abs.php?id=328