Témata prací (Výběr práce)Témata prací (Výběr práce)(verze: 266)
Detail práce
   Přihlásit přes CAS
Mikrostruktura a vlastnosti silně defektních uhlíkových nanomateriálů studované pomocí rentgenografických rozptylových metod
Název práce v češtině: Mikrostruktura a vlastnosti silně defektních uhlíkových nanomateriálů studované pomocí rentgenografických rozptylových metod
Název v anglickém jazyce: Microstructure and properties of highly perturbed carbon based nanomaterials studied by X-ray scattering methods
Klíčová slova: rentgenová difrakce, turbostratický uhlík, vrstevnaté materiály, výpočet difraktogramu
Klíčová slova anglicky: X-ray diffraction, turbostratic carbon, layered materials, diffraction pattern calculation
Akademický rok vypsání: 2017/2018
Typ práce: disertační práce
Jazyk práce:
Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Radomír Kužel, CSc.
Řešitel:
Konzultanti: RNDr. Milan Dopita, Ph.D.
Zásady pro vypracování
Materiály na bázi uhlíku jsou široce využívány v celé řadě průmyslových aplikací. Kromě známých forem diamantu a grafitu jsou průmyslově důležité uhlíkaté materiály jako černý uhlík (carbon black), různé formy dehtů a sazí, uhlíkaté materiály obsahující vodík, tvrdé a měkké negrafitizující uhlíky. Vzhledem k jejich specifickým fyzikálním vlastnostem roste jejich důležitost v produktech s vysokou přidanou hodnotou. Nanokrystalické uhlíkové materiály, obsahující veliké množství defektů krystalové mříže jsou nazývány “turbostratické uhlíky”. Strukturně se skládají z grafenových vrstev kde atomy uhlíku vázané silnými kovalentními vazbami tvoří hexagonální strukturu. Relativně slabé van der Waalsovy vazby mezi jednotlivými grafenovými vrstvami umožňují fluktuace v jejich mezirovinné vzdálenosti, náhodné laterální translace těchto vrstev, jejich zvrásnění a vzájemnou náhodnou disorientaci okolo normály k těmto vrstvám. Difrakční záznam rozptylu na turbostratických uhlících je anomální, velice difúzní a nelze jej popsat klasickými metodami používanými pro popis rozptylu na polykrystalických materiálech.
Hlavním tématem práce je experimentální studium vysoce porušených materiálů na bázi uhlíku, vývoj rentgenových rozptylových metod (vysoko i nízkoúhlový rozptyl rentgenového záření) a popis rentgenového rozptylu na uhlíkatých turbostratických strukturách. Použití Debyeovy obecné rozptylové rovnice pro výpočet a simulace rtg. rozptylu na porušených uhlíkových strukturách obsahujících různé typy defektů a analýza v přímém prostoru za použití párové distribuční funkce (PDF). Výsledky získané pomocí rozptylových metod budou korelovány s výsledky komplementárních metod jako např. Ramanovy spektroskopie, transmisní elektronové mikroskopie, elektronové spektroskopie charakteristických ztrát, rentgenové fotoelektronové spektroskopie metody a neutronového rozptylu.
Seznam odborné literatury
S. Ravi, P. Silva (eds.), Properties of Amorphous Carbon, INSPEC, London, UK, 2003.
M. Dopita et al., Adv Eng Maters 15, 2013, 1280.
M. Dopita et al., Carbon 81, 2015, 272.

Předběžná náplň práce
Materiály na bázi uhlíku jsou široce využívány v celé řadě průmyslových aplikací. Kromě známých krystalických forem diamantu a grafitu jsou průmyslově důležité uhlíkaté materiály jako černý uhlík (carbon black), různé formy dehtů a sazí, uhlíkaté materiály obsahující vodík, tvrdé a měkké negrafitizující uhlíky, atd. Vzhledem k jejich specifickým fyzikálním vlastnostem roste jejich důležitost v produktech s vysokou přidanou hodnotou jako jsou refraktorní materiály, v chemii povrchů jako katalyzátory, či nosiče katalyzátorů, různé typy filtrů, jako akumulační média pro skladování zemního plynu a vodíku, jako části mikroelektronických výrobků, jako anodové materiály interkalované Li-ionty v Li-iontových bateriích.

Nanokrystalické uhlíkové materiály, obsahující veliké množství defektů krystalové mříže jsou nazývány “turbostratické uhlíky”. Strukturně se skládají z grafenových vrstev kde atomy uhlíku vázané silnými kovalentními vazbami tvoří hexagonální strukturu. Relativně slabé van der Waalsovy vazby mezi jednotlivými grafenovými vrstvami umožňují fluktuace v jejich mezirovinné vzdálenosti, náhodné laterální translace těchto vrstev, jejich zvrásnění a vzájenmou náhodnou disorientaci okolo normály k těmto vrstvám. Strukturní poruchy – ztráta třídimenzionální periodicity spolu s velice malou velikostí částic vede v difrakčním záznamu k vytvoření 00l píků od rozptylu na souboru vzájemně rozorientovaných grafenových vrstev a ke tvorbě asymetrických hk píků pocházejících od rozptylu na atomech v těchto jednotlivých vrstvách. Difrakční záznam rozptylu na turbostratických uhlících je dále velice difúzní a nelze jej popsat klasickými metodami používanými pro popis rozptylu na polykrystalických materiálech.

Hlavním tématem navržené doktorské práce je experimentální studium vysoce porušených materiálů na bázi uhlíku, vývoj rentgenových rozptylových metod (vysoko i nízkoúhlový rozptyl rentgenového záření) a popis rentgenového rozptylu na uhlíkatých turbostratických strukturách. Použití Debyeovy obecné rozptylové rovnice pro výpočet a simulace rtg. rozptylu na porušených uhlíkových strukturách obsahujících různé typy defektů. Analýza v přímém prostoru za použití párové distribuční funkce (PDF). Výsledky získané pomocí rozptylových metod budou korelovány s výsledky komplementárních metod: Ramanovy spektroskopie, transmisní elektronové mikroskopie (TEM), částečně s vysokým rozlišením (TEM/HRTEM), elektronové spektroskopie charakteristických ztrát (EELS), rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), Brunauer-Emmett-Tellerovy metody (BET), a neutronového rozptylu.
Předběžná náplň práce v anglickém jazyce
Carbon based materials are extensively used in different industrial applications for decades. Besides the well-known crystalline allotropes diamond and graphite, industrially important are the carbonaceous materials in the forms of carbon black, coal tar pitches and resins, hydrogen containing carbons, hard/soft non-graphitizing carbons etc. Because of their specific physical properties, they are increasingly important in high added value products as carbon bonded refractory materials, in the surface chemistry as catalyzers, as different types of filters, as fuel storages for natural and hydrogen gas, and as well as in the microelectronics as electrode materials for Li storage in Li-ion batteries.

Such nanocrystalline, highly defect forms of carbon materials are called turbostratic carbons. Structurally they are built from graphene layers where the carbon atoms, bounded with strong covalent bonds, form hexagonal honey-comb structure. Weak van der Waals bonds between individual graphene layers allow random fluctuations in the parallel layer spacings, random lateral translations of graphitic layers, the curvatures of layers and mutual disorientations of individual parallel layers around the layers normal direction. The structural disorder – loss of the 3D periodicity together with very small cluster sizes leads to the formation of pronounced 00l peaks comming from the scattering on mutually disoriented parallel layer groups and asymmetrical hk bands originating from the scattering on individual layers, in the scattering pattern. Additionally the scattering pattern of turbostratic carbon is highly diffuse and cannot be described with well established powder diffraction procedures (Fig. 1).
The main topic of proposed PhD thesis consists of experimental investigation of highly perturbed carbon based materials and development of the x-ray scattering methods (both in wide as well as small scattering angle range) for description of scattering on turbostratic carbon structures. The use of the general Debye scattering equation for simulation of scattering on perturbed carbon materials containing different types of defects. Real space analysis using the pair distribution function. The results of the x-ray scattering methods will be additionally compared with the complementary methods as Raman scattering, TEM/HRTEM, TEM/EELS, BET, XPS and neutron scattering.

 
Univerzita Karlova | Informační systém UK