Studentská vědecká konference

Pro budoucnost lidstva je důležitý zejména vývoj technologií úpravy vody s nízkou energetickou spotřebou a zdroje čisté vody. Nejpoužívanější metody odsolování vody, které jsou v dnešní době používané, jsou destilace nebo reverzní osmóza. Tyto metody se však vyznačují svou velkou energetickou náročností, protože z roztoku solí ve vodě neodstraňují sůl, která tvoří minoritní část, ale přímo vodu. Elektrochemické metody odsolování vody na druhou stranu separují ionty soli z vody působením elektrického pole. Elektrodialýza je metoda, která využívá iontově-selektivních membrán a elektrického pole pro odsolení části zpracované vody. Kapacitní deionizace spočívá v adsorpci iontů na vysokopovrchových uhlíkových elektrodách vlivem elektrického pole a jejich následné desorpci. Tyto dvě metody byly experimentálně porovnávány v reálných podmínkách na úpravně pitné vody v Nové Vsi u Bečova v Karlovarském kraji. Metody byly porovnávány z hlediska dosaženého odsolení a energetické náročnosti. Z hlediska snížení salinity pitné vody dosahují obě metody uspokojivých výsledků. Z hlediska energetické náročnosti jsou při vhodně zvolených provozních podmínkách tyto technologie srovnatelné.

Elektrolýza vody představuje jeden z nejčistších způsobů výroby vodíku. Elektrolýzu vody dělíme na vysokoteplotní a nízkoteplotní, která se dále dělí na kyselou a alkalickou. Předmětem této práce je alkalická elektrolýza vody. V případě tohoto procesu není běžně dosahováno takových hodnot intenzity výroby, jako u konkurenčních technologií, ale výroba je ekonomicky dostupnější z důvodu možnosti využití levnějších katalyzátorů, elektrod a konstrukčních materiálů. Katalyzátory v elektrolýze vody jsou používány za účelem snížení přepětí na elektrodách. Vynikajících výsledků dosahují platinové katalyzátory, avšak cena takového katalyzátoru je příliš vysoká, proto je vyvíjena snaha syntetizovat materiál, který bude mít stejné elektrokatalytické vlastnosti a zároveň bude levnější. Zajímavou alternativu představují v alkalickém prostředí například směsné oxidy niklu a kobaltu se spinelovou strukturou. V této práci byl katalyzátor NiCo₂O₄ připraven srážecí metodou v množství přibližně 2 a 25 g. Vlastnosti obou katalyzátorů byly porovnány na základě výsledků z XRD a SEM, elektrokatalytické aktivity a vodivosti katalyzátoru. Cílem práce bylo stanovení vlastností připravených katalyzátorů a ověření možnosti použití vybraného postupu přípravy pro přípravu většího množství katalyzátoru.

Současný moderní svět je silně závislý na fosilních palivech. Jejich spalováním je ovšem produkováno velké množství oxidu uhličitého a postupně dochází k vyčerpávání jejich zdrojů. Z těchto důvodů je nezbytné najít nový zdroj energie, který by měl být v ideálním případě čistý a obnovitelný. Jedním z kandidátů, který splňuje tato kritéria, je vodík. Velice zajímavým způsobem jeho přípravy je fotoelektrochemické štěpení vody pomocí slunečního záření. Tento proces vyžaduje fotokatalyticky aktivní elektrodu - fotoanodu. Slibným materiálem pro přípravu fotoanod je syntetický hematit. Hlavní výhodou hematitu je jeho schopnost absorpce ve viditelné části spektra, což umožňuje rozklad vody slunečním zářením. Z důvodu nízké vodivosti hematitu je výhodné dopování jeho vrstev pomocí vhodného kovu. V této práci byly hematitové vrstvy připraveny aerosolovou pyrolýzou na substrát z FTO skla. Jako prekurzor byl použit vodný roztok Fe³⁺ iontů, v případě dopovaných vrstev obsahoval prekurzor také ionty dopujícího kovu. Hlavními zkoumanými parametry přípravy byla teplota, délka depozice a obsah dopantu. Deponované vrstvy byly charakterizovány pomocí SEM, XRD a měřením fotoelektrochemických vlastností (solární simulátor) v alkalickém elektrolytu.

Vodík je považován za nejlepší prostředek ke skladování energie získané z obnovitelných zdrojů, jejíž dodávky do sítě mohou v čase výrazně kolísat. S rostoucím instalovaným výkonem obnovitelných zdrojů energie je potřeba vyvinout skladovací systém o stejné kapacitě. Za tímto účelem by mohla být využita alkalická elektrolýza vody, která by využívala nadbytečné větrné či solární energie k produkci vodíku. Hlavní výhodu této technologie představuje relativní materiálová nenáročnost, což vede ke snížení ceny celého procesu. Limitujícím prvkem alkalické elektrolýzy vody je separátor elektrodových prostorů. Zlepšení v této oblasti je možné dosáhnout náhradou anorganické diafragmy polymerní anion selektivní membránou, která by byla stabilní za podmínek elektrolýzy vody a umožňovala by tak využít některých výhod konkurenčních technologií, jako je kompaktnější konstrukce a vyšší účinnost procesu. S tím je také spojena možnost nanesení katalyzátoru ve velmi tenké vrstvě přímo na membránu. Toto uspořádání je výhodné z důvodu lepšího kontaktu mezi katalyzátorem a membránou, což vede k efektivnějšímu využití katalyzátoru. Cílem této práce je příprava a charakterizace anion selektivní membrány s 1,4-Diazabicyklo[2.2.2]oktanovou (DABCO) funkční skupinou modifikované katalytickou vrstvou.

Membránové procesy prodělaly za posledních 20 let velký vývoj a uplatnění nacházejí v mnoha odvětvích průmyslu. Jedním ze základních požadavků na membrány je jejich stabilita. V některých případech však během vlastního procesu dochází ke vzniku meziproduktů, které mohou ovlivnit stabilitu použité membrány, např. produkce peroxidů při elektrolýze vody. V membránové (PEM) elektrolýze vody se používá jako elektrolyt polymerní iontově selektivní  membrána. Chemickou degradaci membrán v PEM elektrolýze může způsobit peroxid vodíku, popř. jeho radikály. Působením meziproduktů může dojít k poklesu jak mechanických, tak elektrochemických vlastností membrány z důvodu rozpadnutí nosného řetězce, či ztrátě funkčních skupin. V této práci byl sledován vliv působení peroxidu vodíku s různou koncentrací v roztocích s odlišným pH na kation i anion selektivní polymerní membrány. Degradace membrán probíhala ve všech případech po dobu jednoho týdne. Výsledná iontově výměnná kapacita byla zjištěna pomocí UV-VIS spektroskopie stanovením koncentrace vyměněných dusičnanových iontů, či titrací hydroxidem sodným a získána jako podíl molů vyměněných iontů a hmotnosti suché membrány.

Palivové články typu PEM představují perspektivní zdroj elektrické energie pro celou řadu aplikací, kde se uplatní některé z jejich výhod, jako jsou vysoká efektivita přeměny chemické energie paliva na elektrickou, tichý provoz a netoxické odpadní produkty. Jejich provoz má však také jistá technická omezení. Například při odstavení je nutné je propláchnout inertním plynem, který odstraní zbytky vodíku z elektrodového prostoru. Tímto opatřením se zabrání vzniku prostředí, kde by mohlo docházet k nežádoucí degradaci katalyzátoru v průběhu odstávky. Zbytkový vodík, který by prodifundoval skrz membránu, by mohl zapříčinit vznik tzv. mikroexplozí, oběma nežádoucím dějům lze předejít právě proplachem inertním plynem, např. dusíkem. Zdrojem dusíku může být tlaková lahev, která však musí být doplňována. Mnohem elegantnějším řešením je separace dusíku ze vzduchu za pomoci membránového modulu. Tato práce je zaměřena na ověření použitelnosti komerčně dostupných membránových modulů pro tuto aplikaci.

Palivové články představují zajímavou možnost zdroje elektrické energie a jsou vhodné pro celou řadu aplikací. Vysokoteplotní SOFC narozdíl od nízkoteplotního palivového článku má výhodu v tom, že díky vysoké teplotě se nemusí používat drahé katalyzátory. Na druhou stranu vysoká teplota způsobuje rychlou degradaci materiálů a může docházet například k delaminaci elektrody. Proto jsou na používané materiály a způsob jejich zabudování do SOFC kladeny vysoké nároky. Cílem práce bylo připravit a optimalizovat proces přípravy elektrolytu z práškového YSZ a následně připravit SOFC článek nanesením elektrod. Katoda je složena ze směsi LSM/YSZ a anoda ze směsi NiO/YSZ. Chování připravených článků bylo testováno v laboratorní cele SOFC.

Ve vysokoteplotním palivovém článku s protonově výměnnou membránou se používá membrána z polybenzimidazolu dopovaná H₃PO₄. V důsledku bezprostředního kontaktu membrány s katalytickou vrstvou obsahující Pt, na které probíhají elektrodové reakce, dochází k adsorpci složek elektrolytu na povrch katalyzátoru a tím k jeho částečnému zablokování pro reaktanty. Na tomto jevu se podílí H₃PO₄, ale také produkty redukce H₃PO₄, které jsou v elektrolytu obsaženy. Zejména se jedná o H₃PO₃, která může být do systému zanesena spolu s H₃PO₄ použitou na dopování membrány, nebo vzniká redukcí H₃PO₄ při provozu článku. Adsorpce kyselin fosforu na Pt povrch a jejich vliv na provozní charakteristiky palivového článku však dosud nebyly dostatečně popsány. Cílem této práce je prostudovat změny elektrické dvojvrstvy na povrchu Pt elektrody v systému obsahujícím H₃PO₃ a H₃PO₄. K měření byla využita metoda cyklické voltametrie v rozmezí koncentrací 0,1 - 5 mol dm^-3 H₃PO₄ s přídavkem H₃PO₃ a v teplotním rozmezí 25 až 70 °C. Z naměřených křivek byly vyhodnoceny změny pokrytí povrchu Pt elektrody. V prezentaci bude diskutována závislost těchto změn na teplotě a koncentraci H₃PO₄.