Studentská vědecká konference

Elektrochemie komplexů germananu Výzkum v oblasti vrstevnatých materiálů odstartoval objevením grafenu v roce 2004. Ukázalo se, že grafen představuje velice slibný materiál, např. pro výrobu membrán, detekci molekul atd., přesto ale vědci narazili na obtíže, jako je třeba jeho obtížná derivatizace. Analog grafenu na bázi germania (germanen) nabízí díky své snadnější funkcionalizaci nové možnosti v těchto aplikacích, protože umožnuje připojení většího množství aktivních míst, což vede k potencionálnímu využití např. v oblasti katalýzy rozkladu vody, elektrochemických reakcí nebo elektrochemické detekci molekul. Tato studie se zabývá materiály s kovalentně připojenými alkylovými řetězci na germanen s terminální -CN nebo -COOH skupinou, ke kterým byly následně přidány kationty přechodných kovů ve snaze vytvořit jejich komplexy. Na těchto materiálech se poté zkoumala jejich elektrochemická stabilita a schopnost přenosu elektronů z elektrody do elektrolytu (HET – Heterogeneous electron transfer).  

Germanan, dvoudimenzionální vrstevnatá modifikace germania analogická grafenu, se dostává do popředí materiálového výzkumu mimo jiné díky jeho slibným optoelektronickým vlastnostem. Další důležitou vlastností je jeho nenulový band-gap, což jej předurčuje pro využití v polovodičových aplikacích.  Tato práce se zabývá post-modifikací germananu s kovalentně navázanou terminální dvojnou vazbou pomocí kysele katalyzované adice alkoholů nebo s terminální -OH skupinou pomocí reakcí s různými reaktivními chloridy kyselin. Věříme, že tyto modifikace povedou k hlubšímu pochopení reaktivity těchto materiálů, k jejich snazšímu zpracování, manipulaci s velikostí band-gapu a také k jejich případným aplikacím, např. jako optoelektronické prvky, fotokatalyzátory aj.  

Syntetické materiály s granátovou strukturou mají široké využiti díky svým optickým vlastnostem. Velmi často se používají takzvané yttrito-hlinité granáty (Y₃Al₅O₁₂; zkratka YAG). Například Nd:YAG (dopovaný neodymem) se používá jako materiál pro lasery,  Tb₃Sc₂Al₃O₁₂ se používá jako Faradayův rotátor. Ce:YAG se používá jako scintilační materiál pro detektory různého druhu, ovšem oblast jeho největšího použiti je výroba LED. V praxi je největším problémem Ce:YAG rychlost scintilační odezvy, která je negativně ovlivněná záchytem excitovaných elektronů na defektech. Tento nedostatek může být řešen ko-dopací dvojmocnými ionty kovů (např. Mg²⁺, Ca²⁺), které urychlí přechod elektronů díky přítomným Ce⁴⁺ iontům. Tím se ovlivní hodnota scintilačního výtěžku a rychlost scintilační odezvy. Moje práce se zabývá přípravou ko-dopovaných granátů s obsahem hořčíku. Byly připraveny sady vzorků Ce:YAG dopovaných hořčíkem pomocí metod sol-gel a ko-precipitace. Ko-precipitované prášky byly dále zpracovány metodou SPS do podoby denzní keramiky. Byl zkoumán vliv koncentrace hořčíku, vliv finálního žíhání vzorků v různých atmosférách a vliv doby finálního žíhání na radioluminiscenční vlastnosti granátů. Výsledky, které jsme získali, budou použity pro výzkum dalších multikomponentních granátů.  

V této práci byly zkoumány strukturní a magnetické vlastnosti dopovaného ferritu CoFe₂O₄, který by mohl najít uplatnění jako nové ekologické chladící médium fungující na principu magnetokalorického efektu. Struktura materiálu, velikost částic a chemické složení materiálu mají zásadní vliv na jeho klíčové magnetické vlastnosti související s maximální entropickou změnou a adiabatickou změnou teploty při chladícím cyklu. Cílem práce bylo připravit jednofázové nanostrukturované ferity s vysokou hodnotou magnetokalorického efektu a otestovat vliv velikosti částic a dopování. Metodou sol-gel a koprecipitace byly připraveny vzorky s různou velikostí částic a dopací (Mn, Ni, Tb). Velikost částic, krystalová struktura a fázové složení byly studovány pomocí práškové RTG difrakce, skenovací a transmisní elektronové mikroskopie. Magnetické vlastnosti byly měřeny pomocí PPMS.

Pervaporace je proces, při kterém dochází k separaci kapalné směsi dvou a více látek částečným vypařováním jedné z nich skrze membránu. Membránou prochází plynný komponent, permeát, jehož odpařování můžeme podpořit snížením tlaku na permeátové straně membrány nebo zavedením nosného inertního plynu. Hlavní hybnou silou pervaporace je rozdíl mezi chemickými potenciály, odpovídající koncentračnímu gradientu mezi fázemi na opačných stranách membrány. V posledních letech si pervaporace našla různá využití. Můžeme jí nahradit proces destilace, popřípadě ji lze využít pro separaci tekutých uhlovodíků a k odstranění těkavých organických sloučenin z vody nebo naopak k odstranění vody z glycerinu. V této práci byla připravena membrána skládající se ze čtyř střídajících se vrstev oxidu grafenu a čtyr vrstev černého fosoforu. Membrána byla připravena podtlakovou filtrací ze suspenzí výše uvedených materiálů na porézním nylonovém nosiči. Tato membrána byla testována pro pervaporační dělení směsi butanol/voda nebo ethanol/voda. Účinnost pervaporace byla stanovena změnou indexu lomu dělené směsi nebo byla prošlá plynná směs zamražena a následně její složení analýzováno pomocí GC-MS.  

Nejznámějším 2D materiálem současnosti je grafen, který je výjimečný z mnoha důvodů. Je známý pro svoji lehkost, tenkost a mechanickou pevnost. Grafen má nulovou energii zakázaného pásu, jedná se tedy o výborný tepelný i elektrický vodič. V současné době se zkoumají desítky podobných struktur, mezi které patří anorganické anology grafenu ze 14. skupiny (germanen a silicen). Tyto materiály mají na rozdíl od grafenu nenulovou energii zakázaného pásu, čehož se dá využít například v elektrotechnice. Jedinečnost 2D materiálů vyplývá z jejich struktury. Grafen je velice stabilní díky systému konjugovaných dvojných vazeb, což znesnadňuje jeho modifikaci. Výše zmíněné analogy grafenu se svojí strukturou od grafenu liší, což je důvod, proč je lze snadněji modifikovat a zvýšit jejich potenciál k dalšímu využití. Znečištění vodních zdrojů je vážným problémem posledního desetiletí. Jedním ze způsobů čištění vody je fotokatalytický rozklad nečistot. Jedná se o proces, při kterém na fotokatalyzátoru dochází k oxidaci/redukci adsorbovaných sloučenin. Výhodou je relativní účinnost, jednoduchá realizace a dobré teoretické znalosti procesu. Tato práce se zabývala modifikací a fotokatalytickou aktivitou 2D materiálů. Slibným fotokatalyzátorem je například germanen modifikovaný methylovou skupinou.  

Použití germananu jako chemického senzoru Germanen je jednovrstevný materiál z atomů germania podobný grafenu či silicenu. Avšak samotný germanen je vysoce nestabilní a proto je ho potřeba chemicky modifikovat. Zprvopočátku se začínalo s vodíkovými či methylovými skupinami. Dnes se experimentuje s mnohými dalšími a zjišťují se jejich vlastnosti. Tyto modifikace ovlivňují nejen reaktivitu, ale také například velikost zakázaného pásu či sorpční schopnosti. Plně hydrogenovaná verze germanenu se nazývá germanan, který je možné využit například v tranzistorech či elektrochemických senzorech. Germanan je schopný adsorbovat velké množství molekul plynů či par. Tyto molekuly mohou ovlivnit jeho elektrické vlastnosti. Proto je možné některé varianty germananu použít jako senzor pro elektrochemickou detekci. To jestli bude germanan mít elektrochemickou odezvu je možné ovlivnit pomocí různých modifikací. Cílem práce je syntéza různě modifikovaných germananů a testování možností jejich využití jako elektrochemických senzorů. Tyto germanany byly syntetizovány z příslušných Zintlových fází, modifikovány, následně naneseny na prstové elektrody. U takto modifikovaných elektrod byla měřena jejich odezva na přítomnost těkavých organických sloučenin pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie.  

Vrstevnaté dvoudimenzionální (2D) materiály jsou v dnešní době na popředí materiálového výzkumu. Díky specifickým vlastnostem 2D materiálů, které se často velmi liší od jejich nevrstevnatých analogů, se nabízí jejich využití v nejrůznějších odvětvích, kde povrch hraje roli, např. v elektronice, pro přípravu kompozitních materiálů, v katalýze apod. Požadované vlastnosti 2D materiálů lze dále modifikovat navázáním různých funkčních skupin na jejich strukturu, které pomáhají vytvořit materiál s atributy požadovanými pro danou aplikaci.  Tato práce se zabývá studiem rozdílných metod přípravy na výsledné složení a strukturu germananů (germaniový analog graphenu) z germanidu vápenatého pomocí různých organických halogenderivatů. Cílem této práce je určit jaké metody jsou nejlepší pro vybrané strukturně odlišné molekuly.  

V posledním desetiletí se 2D nanomateriály dostaly do popředí vědeckého zájmu díky svým unikátním vlastnostem, jako je velikost měrného povrchu, transportní vlastnosti, optické vlastnosti a nebo katalytické vlastnosti. Mezi nejprozkoumanější 2D materiály patří grafen a chalkogenidy přechodných kovů, avšak potenciál mají i další vrstevnaté materiály, jako jsou MPCh₃ (M = přechodný kov, Ch = S, Se), jejichž 3D struktury byly poprvé syntetizovány koncem 19. století. Z nich lze připravit 2D monovrstvy pomocí exfoliace, a to buď mechanicky, chemicky nebo elektrochemicky. Elektrochemické exfoliace lze provádět interkalací, neboli vmezeřením molekuly/iontu do mřížky materiálu. Pro tuto techniku jsou vhodné materiály se strukturou MPS₃. Tato práce se zabývá elektrochemickou exfoliací trithiofosforičitanu nikelnatého (NiPS₃). Exfoliace probíhala pomocí interkalace tetrabutylammonium hexafluorofosfátu (NBu₄PF₆) v bezvodém prostředí (MeCN, DMF). Exfoliované vzorky byly testovány na elektrokatalytický vývoj vodíku a redukci kyslíku.  

Černý fosfor (BP) je po grafenu další na poli monoelementárních vrstevnatých dvoudimenzionálních materiálů. Na rozdíl od grafenu, který je polovodič s nulovým band-gapem, BP má band-gap, který je silně závislý na počtu vrstev – cca 2.0 eV pro jeho monovrstvu až po cca 0.3 eV pro bulkový BP. Tato vlastnost se jeví jako velice atraktivní pro (opto)elektronické zařízení a fotokatalyzátory chemických reakcí. Hlavní nevýhody, které brání širšímu využití černého fosforu, jsou jeho nestálost na vzduchu a další metodika manipulace s velikostí band-gapu. Tyto vlastnosti se snažíme ovlivnit navázáním komplexů přechodných kovů. Jako ideální prekurzory se jeví jejich karbonyly, např. M(CO)₆, kde M = Cr, Mo a W. Jejich aktivací pro reakci pomocí UV záření vznikají reaktivní koordinačně nenasycené M(CO)₅ komplexy. Vzniklý prázdný orbital je následně zaplněn volným elektronovým párem z BP. Takto připravené materiály byly charakterizovány pomocí různých spektroskopických a mikroskopovacích technik, např. FT-IR, Ramanova spektroskopie nebo XPS. Věříme, že tato modifikace umožní snadnější manipulaci s BP a jeho další využití, např. jako katalyzátorů oxidačních, (de)hydrogenačních a polymerizačních reakcí.