Interaction of water vapor with epitaxial layers of cerium dioxide

• Thesis title in Czech: Interakce vodních par s epitaxními vrstvami oxidu ceričitého
• Thesis title in English: Interaction of water vapor with epitaxial layers of cerium dioxide
• Key words: NAP-XPS|oxid ceričitý|vodní pára|kontrolovaná schodová hustota|operando studie
• English key words: NAP-XPS|cerium oxide|water vapor|controlled step density|operando studies
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Supervisor: RNDr. Břetislav Šmíd, Ph.D.
• Author: Bc. Orsolya Morvai - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 13.10.2021
• Date of assignment: 22.10.2021
• Confirmed by Study dept. on: 13.12.2021
• Date and time of defence: 21.06.2023 09:00
• Date of electronic submission: 10.05.2023
• Date of submission of printed version: 10.05.2023
• Date of proceeded defence: 21.06.2023
• Opponents: Jesús Rubén López-Roso Redondo, Ph.D.
• Advisors: Xiaohui Ju, Ph.D.

Guidelines

1. Studium doporučené literatury.
2. Seznámení se s experimentálními metodami povrchové analýzy (XPS, LEED) a specifiky NAP-XPS.
3. Příprava epitaxních vrstev CeO2 a jejich charakterizace.
4. Studium interakce povrchů CeO2 s vodními parami za zvýšených tlaků, NAP-XPS.
5. Vyhodnocení získaných dat, sepsání práce.

References

[1] Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, ISBN: 1-86094-299-7.
[2] B.C. Nelson, M.E. Johnson, M.L. Walker, K.R. Riley, C.M. Sims, Antioxidant Cerium Oxide Nanoparticles in Biology and Medicine, Antioxidants-Basel, 5 (2016).
[3] I. Celardo, J.Z. Pedersen, E. Traversa, L. Ghibelli, Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles, Nanoscale, 3, 1411-1420 (2011).
[4] V. Nicolini, E. Gambuzzi, G. Malavasi, L. Menabue, M.C. Menziani, G. Lusvardi, A. Pedone, F. Benedetti, P. Luches, S. D’Addato, S. Valeri, Evidence of Catalase Mimetic Activity in Ce3+/Ce4+ Doped Bioactive Glasses, The Journal of Physical Chemistry B, 119, 4009-4019 (2015).
[5] C. Xu, X.G. Qu, Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications, Npg Asia Mater, 6 (2014).
[6] J.-D. Cafun, K.O. Kvashnina, E. Casals, V.F. Puntes, P. Glatzel, Absence of Ce3+ Sites in Chemically Active Colloidal Ceria Nanoparticles, ACS Nano, 7, 10726-10732 (2013).
[7] D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9.
[8] J. Mysliveček, V. Matolín, I. Matolínová, Heteroepitaxy of Cerium Oxide Thin Films on Cu(111), Materials, 8, 6346-6359 (2015).

Preliminary scope of work

Cer (Ce) je jedním z nejhojněji zastoupených prvků ze skupiny kovů vzácných zemin. Jeho jedinečnou vlastností je, že může existovat ve dvou oxidačních stavech: Ce III (Ce3+) a Ce IV (Ce4+) [1,2]. Současný výzkum ukazál, že nanostrukturovaný oxid ceru, CeOx, vykazuje multi-enzymatickou aktivitu pro záchyt a eliminaci reaktivních kyslíkových druhů (ROS), a dal by se tedy využít jako antioxidant v biomedicíně [3]. Vlastnosti oxidu ceru, které jsou podobné enzymům, jsou obecně připisovány buď kyslíkovým vakancím na povrchu nebo smíšeným valenčním stavům Ce3+ a Ce4+ [4]. Rychlost změny mezi stavy Ce3+ and Ce4+ přitom hraje klíčovou roli [5]. Nicméně, oxidační a redukční procesy na povrchu oxidu ceru nejsou dosud plně pochopeny, zvláště ve vodním prostředí [6]. Cílem této práce je porozumět, jakým způsobem molekuly vody ovlivňují oxidační stav Ce3+ a Ce4+ právě ve vodním prostředí.

Modelové vrstvy budou připraveny v ultravysokém vakuu (UHV) a jejich struktura a složení budou ověřeny metodou difrakce elektronů s nízkou energií (LEED) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS) [7,8]. Hlavní část práce bude zaměřena na studium modelových epitaxních vrstev oxidu ceru a jejich interakci s vodními parami metodou XPS za zvýšených tlaků (NAP-XPS).