Studium elektrochemických a adsorpčních procesů na sp2 a nanostrukturovaných sp3 uhlíkových površích pro racionální navrhování povrchů elektrod pro elektroanalýzu

• Thesis title in Czech: Studium elektrochemických a adsorpčních procesů na sp2 a nanostrukturovaných sp3 uhlíkových površích pro racionální navrhování povrchů elektrod pro elektroanalýzu
• Thesis title in English: Study of electrochemical and adsorption processes on nanostructured sp3 carbon surfaces for rational designing of electrode surfaces for electroanalysis
• Key words: borem dopovaný diamant, elektrochemie, organické sloučeniny
• English key words: boron doped diamond, electrochemistry, organic compounds
• Academic year of topic announcement: 2020/2021
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Analytical Chemistry (31-230)
• Supervisor: doc. RNDr. Karolina Schwarzová, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 05.10.2020
• Date of assignment: 06.10.2020
• Confirmed by Study dept. on: 06.10.2020

Preliminary scope of work

Cílem projektu je studium, komplexní porozumění a popis elektrochemických a adsorpčních procesů, které se odehrávají na rozhraní elektrolytu s elektrodami na bázi sp² a sp³ uhlíku. Mezi těmito materiály přitahuje velkou např. pyrolytický grafit s velkou variabilitou vodivosti a adsorpčích vlastností v závislosti na orientaci elektrodového povrchu, či borem dopovaný diamant (BDD) díky svým výhodným vlastnostem, jako je vysoká chemická a mechanická stabilita, biokompatibilita, široké potenciálové okno, hlavně v anodické oblasti, a nízké proudy pozadí. Stejně jako u sp² uhlíků jsou vlastnosti BDD elektrod ovlivněny povrchovým zakončením daným buď elektrochemickou nebo mechanickou předúpravou. Ta silně ovlivňuje hydrofobitu / hydrofilitu povrchu a polaritu povrchových vazeb. Studium interakce modelových oxidovatelných a redukovatelných sloučenin (redoxní markery, aromatické fenoly a aminy, heterocyklické sloučeniny), povrchově aktivních molekul (např. vybraných steroidních sloučenin) a biomolekul s povrchy umožní hlubší porozumění vztahů mezi chemickým složením povrchu elektrod a jeho morfologií na jedné straně a kinetikou přenosu elektronů a adsorpčními vlastnostmi na straně druhé. .
Finanční podpora: Projekt bude řešen v UNESCO laboratoři elektrochemie životního prostředí; finanční podpora projektu je zajištěna z projektu GAČR 20-03187S.
Plánované výstupy: Výsledky získané při studiu elektrochemických a adsorpčních procesů na BDD elektrodě budou publikovány v impaktovaných zahraničních časopisech a využity v rámci existující mezinárodní spolupráce UNESCO laboratoře elektrochemie životního prostředí. V případě zvýšeného potenciálu uplatnění v praxi budou nově vyvinuté senzory či analytické postupy nejprve patentovány či validovány a certifikovány.
Předpokládané stáže: Je plánována několikaměsíční stáž dle výbětu uchazeče v rámci existujících spoluprací (projekt ERASMUS ‒ Coimbra (Portugalsko), Regensburg (Německo) aj.; mezinárodní projekty ‒ Michigan State University (USA), Macquarie University (Austrálie).

Preliminary scope of work in English

At present, different carbon-based materials and nanomaterials are produced by either top-down or bottom-up approaches. Many reports are devoted to applications of these materials in electrochemical analysis of a wide range of organic molecules that are used in medicine or industry. The majority of these studies include more or less empirical modifications production and pretreatment processes to improve detection limits and/or selectivity for specific groups of analytes. Among carbon based materials, boron-doped diamond (BDD) attracts attention due to its advantageous properties including high chemical and mechanical stability, biocompatibility, wide potential window, especially in anodic region, and low background currents. Similarly as for the sp² carbon, properties of BDD are influenced by surface termination given by electrochemical (frequently used anodization to incorporate oxygenous surface groups, or cathodization to achieve surface termination with H atoms) and/or mechanical (manual polishing treatment of deposited BDD films. The type of surface pretreatment influences strongly the hydrophobicity/hydrophilicity of both sp² and sp³ surface and influences the polarity of the surface bonds. Within this context, the proposed project aims to study of the interaction of nanostructured carbon-based materials with focus on sp3 carbon surfaces with simple organic molecules, heterocyclic compounds, and biomolecule, focusing on details in the interplay among surface termination, morphology, electron transfer kinetics, and adsorption of the selected compounds. The main goal of the project is a complex understanding and description of electrochemical and adsorption processes at the electrolyte-electrode interface and extension of the knowledge for rational design of electrode surfaces. To achieve the goal, we propose to solve the following specific aims. 1) Characterization of physico-chemical properties of natural and artificially prepared nanostructured sp³ carbon surfaces. 2) Study of the interaction between nanostructured sp³ carbon surfaces and model organic compounds at the electrolyte-electrode interface 3) Tuning of sp³ carbon surface properties to achieve efficient adsorption and fast electron transfer of selected groups of compounds, providing base for development of sensitive, selective, and low-cost methods based on voltammetric ar amperometric techniques and construction of electrochemical biosensors. The proposed project is based on close cooperation of UNESCO Laboratory of Environmental Electrochemistry, Faculty of Science, Charles University, Prague), Institute of Physics a of the Czech Academy of Sciences ASCR, Institute of Biophysics of ASCR, and the laboratory of Prof. G. M. Swain (Michigan State University, East Lansing, U.S.A.).