Modelové elektrokatalyzátory na bázi perovskitů
| Thesis title in Czech: | Modelové elektrokatalyzátory na bázi perovskitů |
|---|---|
| Thesis title in English: | Perovskite-based model electrocatalysts |
| Academic year of topic announcement: | 2022/2023 |
| Thesis type: | dissertation |
| Thesis language: | čeština |
| Department: | Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP) |
| Supervisor: | doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D. |
| Author: | hidden - assigned and confirmed by the Study Dept. |
| Date of registration: | 16.09.2022 |
| Date of assignment: | 16.09.2022 |
| Confirmed by Study dept. on: | 20.09.2022 |
| Advisors: | doc. Mgr. Martin Setvín, Ph.D. |
| Guidelines |
| Transformace globální ekonomiky na ekonomiku založenou na obnovitelných zdrojích energie vyžaduje rozvoj nových technologií pro chemickou produkci a chemické konverze energie. V této souvislosti představují katalyticky aktivované elektrochemické reakce jedny z nejperspektivnějších technologií [1]. Mezi potenciálními elektrokatalyzátory zaujímají materiály odvozené z perovskitů význačné postavení díky své relativní dostupnosti a díky širokému rozsahu kontrolovatelných chemických a elektronických vlastností [2]. Potřebný vhled do mechanizmů elektrokatalytických reakcí lze získat postupy takzvané modelové katalýzy, která připravuje a zkoumá modelové katalyzátory s odstupňovanou složitostí. Nejjednodušší modelové katalyzátory – monokrystalické povrchy – jsou kontrolovaně modifikovány na atomární úrovni a identifikují se chemické a strukturní modifikace, které podporují katalytickou aktivitu [3] [4].
Navrhovaná doktorská práce se bude zabývat přípravou atomárně definovaných povrchů perovskitů nanostrukturními metodami a charakterizací těchto povrchů v modelově katalytických experimentech [5]. Těžiště projektu budou tvořit experimenty k určení stability, aktivity a možností aktivace povrchů perovskitů vzhledem k elementárním chemickým reakcím zprostředkujícím konverze energie pomocí molekul H2, CO2, CO and O2. Navrhovaná doktorská práce bude realizována v laboratořích katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK v Praze. Doktorská práce bude součástí širšího výzkumného projektu zaměřeného na porozumění fyzikálně-chemických vlastností perovskitů na atomární úrovni [6]. Pro účely doktorské práce jsou k dispozici experimentální techniky rastrovací tunelové mikroskopie (STM), rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a nekontaktní mikroskopie atomárních sil (nc-AFM), vždy v kombinaci s možností paralelní elektrochemické charakterizace vzorků. Předpoklady: Ukončené magisterské studium fyziky nebo chemie, fyzika/chemie pevných látek výhodou. |
| References |
| [1] V. R. Stamenkovic, D. Strmcnik, P. P. Lopes, and N. M. Markovic, “Energy and fuels from electrochemical interfaces,” Nat. Mater., vol. 16, no. 1, pp. 57–69, Jan. 2017, doi:10.1038/nmat4738.
[2] M. Kubicek, A. H. Bork, and J. L. M. Rupp, “Perovskite oxides-a review on a versatile material class for solar-to-fuel conversion processes,” J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 24, pp. 11983–12000, 2017, doi:10.1039/c7ta00987a. [3] G. Ertl, “Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel lecture),” Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 47, pp. 3524–3535, 2008, doi:10.1002/anie.200800480. [4] N. M. Markovic and P. N. J. Ross, “Surface science studies of model fuel cell electrocatalysts,” Surf. Sci.Reports, vol. 45, no. 4–6, pp. 117–229, Apr. 2002, doi:10.1016/S0167-5729(01)00022-X. [5] F. Faisal, C. Stumm, M. Bertram, F. Waidhas, Y. Lykhach, S. Cherevko, F. Xiang, M. Ammon, M. Vorokhta, B. Šmíd, T. Skála, N. Tsud, A. Neitzel, K. Beranová, K. C. Prince, S. Geiger, O. Kasian, T. Wähler, R. Schuster, M. A. Schneider, V. Matolín, K. J. J. Mayrhofer, O. Brummel, and J. Libuda, “Electrifying model catalysts for understanding electrocatalytic reactions in liquid electrolytes,” Nat. Mater., vol. 17, no. 7, pp. 592–598, Jul. 2018, doi:10.1038/s41563-018-0088-3. [6] M. Setvin, M. Reticcioli, F. Poelzleitner, J. Hulva, M. Schmid, L. A. Boatner, C. Franchini, and U. Diebold, “Polarity compensation mechanisms on the perovskite surface KTaO3 (001),” Science, vol. 359, no. 6375, pp. 572–575, Feb. 2018, doi:10.1126/science.aar2287. |
| Preliminary scope of work in English |
| Global transformation to a renewable energy economy requires new technologies in chemical production and energy storage. In this context, catalyzed electrochemical reactions represent one of the most promising technologies [1]. Among the prospective electrocatalysts, perovskite-based materials represent a prominent group of materials because they are affordable and earth abundant with broadly tunable chemical and electrical properties [2]. A much needed mechanistic insight into electrocatalyzed reactions can be obtained by investigating so called model catalysts that are prepared in a step-by-step manner, starting from atomically defined single crystal surfaces and adding different elements of chemical and morphological complexity by surface nanopatterning [3] [4].
The proposed Thesis will deal with bottom-up fabrication of atomically defined perovskite-based surfaces and their characterization in model catalytic experiments [5]. The core of the project will be experimental investigations of stability, activity, and functionalization by surface nanopatterning of perovskite surfaces for elementary energy-related electrochemical reactions – H2 CO2, CO and O2 conversions in electrolyzers and fuel cells. The proposed Thesis will be performed at the Department of Surface and Plasma Science, Charles University in Prague, Czech Republic. The Thesis is a part of a broad research project aimed at obtaining atomic-level insight into physicochemical properties of perovskite surfaces [6]. For the purpose of the Thesis, Scanning tunneling microscopy (STM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and noncontact Atomic force microscopy (nc-AFM) apparatuses are available, all equipped with in-situ electrochemical characterization of the samples. Prerequisites: MSc in physics or chemistry, solid state physics/chemistry of advantage |