Nové materiály pro skladování vodíku: absorbce vodíku a její vliv na magnetické vlastnosti

• Název práce v češtině: Nové materiály pro skladování vodíku: absorbce vodíku a její vliv na magnetické vlastnosti
• Název v anglickém jazyce: Hydrogen storage in novel intermetallic systems and its influence on magnetic properties
• Klíčová slova: hydrid|magnetické vlastnosti|krystalová struktura
• Klíčová slova anglicky: hydrides|magnetic properties|crystal structure
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Silvie Černá, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 02.08.2022
• Datum zadání: 02.08.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 10.10.2022
• Konzultanti: doc. RNDr. Ladislav Havela, CSc.

Zásady pro vypracování

Velká poptávka po alternativních zdrojích energie přináší do popředí zájmu materiály vhodné ke skladování vodíku. To s sebou přináší i problém interakce vodíku s pevnými látkami. Některé druhy kovových sloučenin dokáží pohltit velké množství vodíku za vzniku tzv. hydridů, které mají často velmi odlišné fyzikální vlastnosti. Tyto hydridy se obvykle připravují reakcí kovů s plynným vodíkem za vysokých teplot a tlaků. Absorpce vodíku má za následek změny v krystalové struktuře (expanzi nebo dokonce změnu typu krystalové struktury). Druhým z možných a často důležitějším důsledkem jsou změny fyzikálních vlastností díky vazbám vodíku s atomy v krystalové mříži.
Předpokládáme zaměření na sloučeniny obsahující Uran nebo vzácnou zeminu (RE). Uranové sloučeniny demonstrují velký vliv absorpce vodíku jak na velikost a stabilitu magnetických momentů, tak i na jejich interakce. Vlivem expanze krystalové mříže dochází k posílení magnetických interakcí. Na druhou stranu, ve sloučeninách vzácných zemin má absorpce vodíku vetšinou opačný efekt v důsledku redukce počtu vodivostních elektronů. Předmětem práce je syntéza, studium struktury a fyzikálních vlastností (především magnetických) vybraných hydridů převážně na bázi f-prvků. Specifickým směrem bude výzkum vlivu vysokých tlaků na vlastnosti hydridů, což umožní separaci vlivu expanze krystalové mříže od vlivu iontově-kovalentní vazby s 1s elekronovými stavy vodíku.

Práce je vhodná pro absolventy magisterského studia jak fyzikálních tak chemických oborů. Zásadní je znalost fyziky pevných látek, stejně jako aktivní znalost anglického jazyka. Výhodou je znalost metod rentgenové difrakce.


Zásady pro vypracování:
1. seznámení se s danou problematikou na základě studia odborné literatury
2. syntéza vybraných uranových a vzácnozeminných sloučenin
3. syntéza hydridů vybraných sloučenin, určení obsahu vodíku
4. studium změn krystalové struktury vlivem absorpce vodíku
5. studium změn magnetických vlastností vlivem absorpce vodíku
6. interpretace získaných experimentálních dat

Seznam odborné literatury

Solid state physics / Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, New York : Brooks / Cole, 1976
Úvod do fyziky pevných látek / Charles Kittel, Praha, Academia, 1985
Elektronické odborné časopisy

Předběžná náplň práce

Velká poptávka po alternativních zdrojích energie přináší do popředí zájmu materiály vhodné ke skladování vodíku. To s sebou přináší i problém interakce vodíku s pevnými látkami. Některé druhy kovových sloučenin dokáží pohltit velké množství vodíku za vzniku tzv. hydridů, které mají často velmi odlišné fyzikální vlastnosti. Tyto hydridy se obvykle připravují reakcí kovů s plynným vodíkem za vysokých teplot a tlaků. Absorpce vodíku má za následek změny v krystalové struktuře (expanzi nebo dokonce změnu typu krystalové struktury). Druhým z možných a často důležitějším důsledkem jsou změny fyzikálních vlastností díky vazbám vodíku s atomy v krystalové mříži.
Předpokládáme zaměření na sloučeniny obsahující Uran nebo vzácnou zeminu (RE). Uranové sloučeniny demonstrují velký vliv absorpce vodíku jak na velikost a stabilitu magnetických momentů, tak i na jejich interakce. Vlivem expanze krystalové mříže dochází k posílení magnetických interakcí. Na druhou stranu, ve sloučeninách vzácných zemin má absorpce vodíku vetšinou opačný efekt v důsledku redukce počtu vodivostních elektronů. Předmětem práce je syntéza, studium struktury a fyzikálních vlastností (především magnetických) vybraných hydridů převážně na bázi f-prvků. Specifickým směrem bude výzkum vlivu vysokých tlaků na vlastnosti hydridů, což umožní separaci vlivu expanze krystalové mříže od vlivu iontově-kovalentní vazby s 1s elekronovými stavy vodíku.

Práce je vhodná pro absolventy magisterského studia jak fyzikálních tak chemických oborů. Zásadní je znalost fyziky pevných látek, stejně jako aktivní znalost anglického jazyka. Výhodou je znalost metod rentgenové difrakce.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Huge demand for alternative energy sources brings into attention materials suitable for hydrogen storage. This makes studies of interaction of materials with hydrogen very important. Some materials are very good candidates for hydrogen storage as they can absorb large amounts of hydrogen. The new compounds (hydrides) can show qualitatively different magnetic properties. One should consider two main effects of hydrogen absorption on intermetallic compounds. Hydrogen plays the role of a negative pressure agent (acts as small perturbation on the system expanding it). The other sometimes more important effect is the bonding of hydrogen to other atoms in the lattice.
The study should be mainly concentrated on Uranium- and rare-earth(RE)-containing materials. Magnetic properties of U-compounds strongly depend on the inter-U distances. Hydrogen intrusion can easily modify the lattice by expanding it without changing the crystal-structure type. The volume expansion leads to a band narrowing, which can be used to tune magnetic properties. On the other hand, for RE compounds, hydrogenation affects mainly the 4f – magnetic moments and their ordering. The exchange coupling is reduced presumably by reducing the concentration of conduction electrons.
The subject of the work is synthesis and study of structure and physical (mainly magnetic) properties of selected hydrides, mainly based on f-electron elements.
A specific direction of the research will be the study of the influence of high pressure on the properties of hydrides, which will allow the separation of the influence of crystal lattice expansion from the influence of ion-covalent bonding with 1s electron states of hydrogen.

The project is suitable for students having a Master degree in physics or chemistry. As a prerequisite, it requires knowledge of foundations of physics of solids. A good command of English is highly desirable. Experience with X-ray diffraction methods is an advantage.