Katalyzátory založené na kombinaci kovů skupiny železa a reducibilních oxidů

• Thesis title in Czech: Katalyzátory založené na kombinaci kovů skupiny železa a reducibilních oxidů
• Thesis title in English: Catalysts based on a combination of iron-group metal and reducible oxides
• Academic year of topic announcement: 2019/2020
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Supervisor: doc. RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 02.08.2019
• Date of assignment: 02.08.2019
• Confirmed by Study dept. on: 24.10.2019

Guidelines

1. Seznámení se s experimentálními metodami TDS (termodesorpční spektroskopie) a efúzních molekulárních svazků, XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie).
2. Zjištění současného stavu poznání v oblasti katalýzy pomocí systémů založených na kombinaci kovů skupiny železa a oxidu céru.
3. Zvládnutí přípravy vzorků v UHV metodou CVD (chemical vapor deposition) – napařování tenkých vrstev oxidů a kovů na monokrystalický substrát, v pokročilejší fázi kovových klastrů s různými paramatery na povrchy oxidů.
4. Zvládnutí přípravy vzorků metodou magnetronového naprašování.
5. Měření katalytické aktivity připravených tenkovrstvých materiálů metodami TPD, TPR. Interpretace výsledků v souvislosti s morfologickou a elektronickou strukturou vzorků získanou metodami XPS, LEED a STM, případně dalšími.
6. Průběžně zpracovávání experimentálních dat a publikování výsledků v impaktovaných časopisech. Prezentování výsledků na mezinárodní konferenci nebo workshopu.

References

Heterogenní katalýza
1. Ertl, G., et al., eds. Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2008, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany.
2. Che, M. and J.C. Védrine eds. Characterization of Solid Materials and Heterogeneous Catalysts: From Structure to Surface Reactivity. 2012, Wiley‐VCH: Weinheim.
3. Goodman, D.W., Model Studies in Catalysis Using Surface Science Probes. Chemical Reviews, 1995. 95(3): p. 523-536.

Nanostruktury
1. Freund, H.J., et al., Cluster, facets, and edges: Site-dependent selective chemistry on model catalysts. Chemical Record, 2003. 3(3): p. 181-200.
2. Henry, C.R., Surface studies of supported model catalysts. Surface Science Reports, 1998. 31(7-8): p. 235-325.
3. Liu, L.C. and A. Corma, Metal Catalysts for Heterogeneous Catalysis: From Single Atoms to Nanoclusters and Nanoparticles. Chemical Reviews, 2018. 118(10): p. 4981-5079.
4. Gates, B.C., Supported Metal-Clusters - Synthesis, Structure, and Catalysis. Chemical Reviews, 1995. 95(3): p. 511-522.
5. Campbell, C.T., Ultrathin metal films and particles on oxide surfaces: Structural, electronic and chemisorptive properties. Surface Science Reports, 1997. 27(1-3): p. 1-111.

Oxidy
1. Vedrine, J.C., Metal Oxides in Heterogeneous Catalysis. 1 ed. 2018: Elsevier. 618.
2. Cox, P.A., Transition Metal Oxides: An Introduction to Their Electronic Structure and Properties. 2010: Oxford University Press. 304.
3. Campbell, C.T. and J. Sauer, Introduction: Surface Chemistry of Oxides. Chemical Reviews, 2013. 113(6): p. 3859-3862.
4. Freund, H.J. and G. Pacchioni, Oxide ultra-thin films on metals: new materials for the design of supported metal catalysts. Chemical Society Reviews, 2008. 37(10): p. 2224-2242.
5. Chambers, S.A., Epitaxial growth and properties of thin film oxides. Surface Science Reports, 2000. 39(5-6): p. 105-180.

Oxid céru
1. Trovarelli, A., ed. Catalysis by ceria and related materials. 2002, Imperial College Press: London.
2. Montini, T., et al., Fundamentals and Catalytic Applications of CeO2-Based Materials. Chemical Reviews, 2016. 116(10): p. 5987-6041.
3. Mullins, D.R., The surface chemistry of cerium oxide. Surface Science Reports, 2015. 70(1): p. 42-85.

Preliminary scope of work

Heterogenní katalyzátory založené na kombinaci přechodných kovů skupiny železa (Fe, Co, Ni) a reducibilního oxidu (typicky CeO2) mohou být účinnou náhradou za dosavadní tradiční katalyzátory spoléhající na přítomnost aktivních vzácných kovů (Pt, Pd, Rh, Au, Ir, ...). Cílem bude systematický vývoj nových materiálů založených na výše zmíněné kombinaci kovů skupiny železa a reducibilního oxidu a jejich charakterizace ze strukturního, elektronického i povrchově-chemického hlediska. Uvažovány budou různé systémy od oxidem nesených kovových nanočástic, směsných nebo dopovaných oxidů, nanoslitinových struktur, až po inverzní uspořádání nespojitého oxidu na kovové vrstvě.
U připravených materiálů bude sledována interakce s vybranými molekulami, relevantními pro důležité chemické reakce jako např. oxidace CO, disociace H2O, dehydrogenace nebo reformování uhlovodíků, oxidace alkoholů apod. Bude sledována reaktivita, selektivita a stabilita katalyzátorů ve vybraných reakcích.
Základem bude experimentální práce kombinující in-situ modelové studie v ultravysokém vakuu (UHV) s ex-situ měřeními v reálných reakčních podmínkách. Hlavními využívanými metodami budou termodesorpční spektroskopie (TPD) a tepelně-programovaná reakce (TPR), fotoelektronová spektroskopie (XPS/SRPES), případně difrakce pomalých elektronů (LEED). Očekává se zároveň syntéza výsledků těchto metod s výstupy získanými dalšími členy týmu pomocí komplementárních technik dostupných v rámci pracovní skupiny fyziky povrchů resp. spolupracujících pracovišť, jmenovitě STM, RHEED, RAIRS, SEM, případně AFM. V průběhu studia můžoou být zařazeny experimenty na některém z externích pracovišť, např. na sychrotronu Elettra (Terst) nebo Bessy II (Berlín).