Samoorganizovaný růst nanostruktur kov-oxid pro modelovou elektrokatalýzu

• Thesis title in Czech: Samoorganizovaný růst nanostruktur kov-oxid pro modelovou elektrokatalýzu
• Thesis title in English: Self-organized growth of metal-oxide nanostructures for model catalysis
• Academic year of topic announcement: 2020/2021
• 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: 08.09.2020
• Date of assignment: 08.09.2020
• Confirmed by Study dept. on: 06.10.2020

Guidelines

Celosvětový přechod k obnovitelné ekonomice vyžaduje konceptuální změnu metod chemické produkce a ukládání energie. V této souvislosti představují katalyzované elektrochemické reakce jednu z klíčových technologií [1]. Pro porozumění elementárních fyzikálně-chemických procesů na chemicky a strukturně komplexních površích elektrokatalyzátorů se rozvíjejí tzv. modelové přístupy, kdy jsou elektrokatalytické procesy studovány na površích nanostruktur s atomárně definovanou morfologií [2].

Navrhovaná práce se zabývá samoorganizovaným růstem atomárně definovaných nanostruktur kov-oxid a jejich charakterizací v modelově katalytických experimentech [3]. Atomárně definované nanostruktury kov-oxid je obtížné připravovat čistě elektrochemickými postupy. Příprava takovýchto systémů je naopak rutinně zvládnuta ve fyzice povrchů, kde jsou pro přípravu modelových katalyzátorů používány fyzikální metody [4]. Kombinace fyzikálních a elektrochemických postupů v modelových studiích představuje originální rys navrhované práce, který umožní získat jedinečné informace o vztahu mezi morfologií a reaktivitou katalyzátorů v elektrochemických reakcích. Studované elektrokatalytické materiály budou kombinace kovů Pd, Rh a oxidů ceru a kobaltu, studované reakce elektrooxidace energeticky relevantních molekul s důrazem na molekuly obsahující vazby C-C.

Navrhovaná práce je bilaterální (v režimu Cotutelle) a bude probíhat střídavě ve Skupině fyziky povrchů KFPP MFF UK (Praha, ČR, školitel doc. Josef Mysliveček) [5], [6] a ve Skupině pro výzkum povrchů a katalýzu na Katedře chemie a farmacie Univerzity Fiedricha a Alexandra (Erlangen, Německo, školitel Prof. Jörg Libuda) [3], [7], [8].

References

[1] V. R. Stamenkovic et ak., “Energy and fuels from electrochemical interfaces,” Nat. Mater., vol. 16, pp. 57–69, 2017, doi:10.1038/nmat4738.
[2] N. M. Markovic and P. N. J. Ross, “Surface science studies of model fuel cell electrocatalysts,” Surf. Sci. Reports, vol. 45, pp. 117–229, 2002, doi:10.1016/S0167-5729(01)00022-X.
[3] F. Faisal et al., “Electrifying model catalysts for understanding electrocatalytic reactions in liquid electrolytes,” Nat. Mater., vol. 17, pp. 592–598, 2018, doi:10.1038/s41563-018-0088-3.
[4] H. Kuhlenbeck, S. Shaikhutdinov, and H. Freund, “Well-ordered transition metal oxide layers in model catalysis - a series of case studies,” Chem. Rev., vol. 113, pp. 3986–4034, 2013, doi:10.1021/cr300312n.
[5] F. Dvořák et al., “Creating single-atom Pt-ceria catalysts by surface step decoration,” Nat. Commun., vol. 7, p. 10801, 2016, doi:10.1038/ncomms10801.
[6] F. Dvořák et al., “Bulk Hydroxylation and Effective Water Splitting by Highly Reduced Cerium Oxide: The Role of O Vacancy Coordination,” ACS Catal., vol. 8, 2018, doi:10.1021/acscatal.7b04409.
[7] G. N. Vayssilov et al., “Support nanostructure boosts oxygen transfer to catalytically active platinum nanoparticles,” Nat. Mater., vol. 10, pp. 310–315, 2011, doi:10.1038/nmat2976.
[8] Y. Lykhach et al., “Counting electrons on supported nanoparticles,” Nat. Mater., vol. 15, pp. 284–288, 2016, doi:10.1038/nmat4500.

a další aktuální časopisecká literatura v oboru / and other scientific papers in the field

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 key technologies [1]. For understanding elementary physicochemical processes on the chemically and structurally complex surfaces of electrocatalysts, we develop so-called model approaches to study electrocatalytic processes on nanostructured surfaces with atomically defined morphology [2].

The proposed Thesis will deal with bottom-up fabrication of atomically defined metal-oxide nanostructures and their characterization in model catalytic experiments. [3]. Atomically defined metal-oxide nanostructures are difficult to prepare using purely electrochemical approaches. On the other hand, such systems are routinely prepared in a surface science approach [4]. It is the key idea of the proposed Thesis to combine surface science and electrochemistry approaches. This approach will make it possible to obtain unique information on the relations between morphology and reactivity of metal-oxide electrocatalysts. The electrocatalytic materials studied will be combinations of Pd, Rh, cerium oxide and cobalt oxide, the targeted reactions will be the electrooxidation of energy-relevant molecules, especially molecules containing C-C bonds.

The proposed Thesis is bi-national (Cotutelle schematic) with the work performed alternately in the Surface Physics Group at the Department of Surface and Plasma Science, Charles University in Prague, Czech Republic (supervision: doc. Josef Mysliveček) [5], [6], and in the group of Interface Research and Catalysis at the Department of Chemistry and Pharmacy of the Friedrich Alexander University Erlangen Nuremberg (Erlangen, Germany, supervision: Prof. Jörg Libuda) [3], [7], [8].