Studium dynamiky molekul CO2 absorbovaných v nanoporézním prostředí metalo-organické sítě

• Thesis title in Czech: Studium dynamiky molekul CO2 absorbovaných v nanoporézním prostředí metalo-organické sítě
• Thesis title in English: Investigation of dynamics of molecules of CO2 absorbed in nanoporous medium of metal-organic framewor
• Key words: Metalo-organické sítě, adsorpce, tekutina, NMR spektroskopie
• English key words: Metal-organic framework, adsorption, fluid, NMR spectroscopy
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: diploma thesis
• Department: Department of Low Temperature Physics (32-KFNT)
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Lang, Ph.D.
• Advisors: RNDr. Mária Šoltésová, Ph.D.

Guidelines

Předmětem studia bude rotační i translační pohyblivost absorbovaných molekul tekutiny (zejména CO2, methan, voda atp.) uvnitř materiálu na bázi metalo-organických sítí (metal-organic frameworks), jehož póry mají velikost v řádu desetin či jednotek nanometrů. Tyto moderní materiály mají využití např. v katalýze, separaci či ve skladování plynů. Spektroskopie NMR může přinést komplexní pohled na dynamiku absorbovaných molekul, vyjádřenou korelačním časem rotační difúze, koeficientem translační difúze, které souvisejí jak s pohybem uvnitř kanálů média, tak s dobou pobytu molekuly ve vazebných místech. Navíc lze určit důležité termodynamické parametry jako je vazebná energie. Mikroskopická charakterizace je nezbytná pro pochopení zákonitostí chování tekutin uvnitř nanoporézních látek i pro navrhování látek vhodných pro specifické účely. Zajímavé je i metodické hledisko, protože se jedná o aplikaci NMR spektroskopie na pomezí plynné či kapalné a pevné fáze. Pro tento projekt je nezbytné i využití dalších experimentálních a výpočetních metod (zejm. simulace molekulové dynamiky), se kterými se student seznámí.

1) Literární rešerše a teoretické zvládnutí metodiky nukleární magnetické rezonance.
2) Seznámení se spektrometrem NMR, základy jeho ovládání.
3) Příprava vzorků.
3) Provedení kalibračních měření.
4) Měření tvaru čáry, translační difúze a podélné relaxace v závislosti na vybraných parametrech (např. hodnota sycení vzorku, teplota).
5) Interpetace výsledků.
6) Sepsání diplomové práce.

References

Literatura
1) M. H. Levitt: Spin Dynamics; Basics of Nuclear Magnetic Resonance, John Wiley & Sons, Chichester, 2001.
2) P. Heitjans and J. Kärger, Eds.: Diffusion in Condensed Matter: Methods, Materials, Models, Springer,. Berlin, 2005.
3) W. S. Price: Concepts Magn. Reson. 1997, 9, 299 - 336.
4) W. S. Price: Concepts Magn. Reson. 1998, 10, 197 - 237.
5) vybrané články z odborných periodik.

Preliminary scope of work

Optimalizace skladování a separace plynů jako jsou methan a oxid uhličitý nabývá zvláštního významu s nutností ve zvýšené míře chránit životní prostředí. Je známo, že v mikroporézním prostředí dochází vyššímu uspořádání molekul plynu, takže při daném tlaku může být zásobní kapacita nádoby s adsorbentem i řádově vyšší nežli prázdné nádoby o stejném objemu. Aplikací může být např. náplň nádrže na CNG (methan) u automobilů. CO2 je jeden z hlavních kontaminantů zemního plynu, který je nutné odstranit pro optimalizaci jeho spalování. Naopak, methan je jeden z hlavních kontaminantů CO2, coby odpadního plynu po spalování. To přináší potřebu vzájemné separace pro optimalizaci řady průmyslových procesů i v souvislosti s minimalizací jejich dopadů na životní prostředí. Metalo-organické sítě (MOF) jsou moderním typem dobře definovaných krystalických nanoporézních materiálů. Skládají se kovových center, které jsou pravidelně propojeny organickými spojkami. Spolupracující skupina chemiků (J. Demel, ÚACH AV ČR) vyvinula zcela novou třídu materiálů nazvanou ICR na bázi železa a hliníku s fosfinovým spojkami, které se vyznačují řadou mimořádných vlastností. Obsahují jednorozměrné kanály, jejichž průměr lze nastavovat délkou spojek (fenyl, bifenyl, ...). Vnitřní povrch kanálů je velmi hydrofobní, protože kovová centra jsou stíněna tzv. pendantními skupinami. Vnitřní povrch pórů lze významných způsobem modifikovat a cíleně na něj zavádět vazebná místa – např. aminoskupiny, které jsou atraktivní pro CO2.
Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR) je extrémně variabilní experimentální metoda, která využívá běžná atomová jádra jako sondy do struktury a dynamiky látek. Unikátní je možnost charakterizovat na mikroskopické úrovni pohyb molekul plynu uvnitř pórů.

Preliminary scope of work in English

Object of the investigation will be the rotational as well as translational mobilities of molecules of fluids (namely carbon dioxide, but also methane, water etc.) absorbed in material based on metal-organic framework. Size of its pores is within order of units ot tens of nanometers. These modern materials find applications in catalysis, separation and gas storage. NMR spectroscopy is capable to bring about a complex insight to dynamics of absrbed molecules, expressed in terms of correlation times of rotational diffusion, coefficient of translational diffusion that are related with molecular mobility inside of channels of the medium as well residence time of the molecules in binding sites. Moreover, it is possible to determine important thermodynamic parameters such as binding energy. Such microscopic characteriztaion is necesary for understanding behavior of fluids confined in nanoporous media and also for targeted design of media useful for specific applications. Also methodological aspects are interisting since it is an application on frontier between gas/liquid and solid state.Utilization of other experimental as well as computational techniques (such molecular dynamics simulations) is essential for this project.
The proposed topic is mainly of experimental character and the work will be carried out in laboratories of Dept. of Low Temperature Physics.