Studentská vědecká konference

Hydrogen-related technologies have gained importance in the latest period due to the hydrogen role in the energy transition process from fossil to sustainable sources. Solid oxide cells (SOCs) represent one of the most promising technologies. Its basic unit comprises of an electrolyte, an anode and a cathode. Thanks to high operation temperature (~ 800 °C) it does not need Pt-metals catalysts and features higher efficiency than lower temperature cells. However, the high operation temperature poses high requirements on the materials properties. The aim of this work is to fabricate the YSZ electrolyte with suitable properties in a reproducible manner. Two different methods were used: powder compression and slurry casting, where the former is generally used for laboratory and the latter for industrial scale applications. Using both methods electrolytes were successfully prepared. The morphology and electrochemical properties of fabricated electrolytes were analyzed in order to determine the impact of fabrication procedure conditions (e. g. sintering temperature and materials composition). In the case of slurry casting the sintering procedure needs to be optimised to ensure gas impermeability.

Vysokoteplotní články s pevnými oxidy představují atraktivní technologii v konceptu energetiky založené na obnovitelných zdrojích. Ko-elektrolýza H₂O a CO₂ nabízí možnost výroby syntézního plynu, kdy není využíváno fosilních uhlovodíků, ale naopak je zužitkován CO₂. Elektrolytický článek, pracující okolo 800 °C, je složen z plynotěsného elektrolytu (ZrO₂ dopovaný Y₂O₃), katody na bázi Ni a anody tvořené směsnými oxidy perovskitické struktury. Do elektrolytického článku vstupuje na katodu vodní pára a CO₂, vystupuje směs CO, H₂ a nezredukovaných reaktantů. Na anodě vzniká kyslík. Stupeň přeměny H₂O a CO₂ je limitován poměrem jednotlivých reaktantů ve vstupním proudu, aby chemická rovnováha při dané teplotě nevedla k tvorbě nežádoucích uhlíkových úsad (Boudouardova reakce, redukce CO vodíkem). Cílem práce je charakterizovat laboratorně připravené vysokoteplotní články v režimu elektrolýzy samotné H₂O a následně ko-elektrolýzy H₂O a CO₂, a to při různém poměru a průtoku vstupujícího CO₂ a H₂O a při různé provozní teplotě. Zkoumán je výkon článků i jeho dlouhodobá stabilita a míra degradace. Výsledky ukázaly, že ko-elektrolýza H₂O a CO₂ má srovnatelné provozní parametry jako elektrolýza H₂O a ani u jednoho procesu nebyla zaznamenána významná degradace ani po desítkách hodin provozu.

Palivové články typu PEM jsou nedílnou součástí vodíkové ekonomiky a představují slibnou technologii pro výrobu čisté energie, avšak jejich nevýhodou je jejich vysoká pořizovací cena. Jednou z cest ke snížení nákladů je optimalizace metod nanášení katalytické vrstvy na polymerní membránu. Alternativou k ultrazvukovému sprejování suspenze je inkoustový tisk, který zefektivňuje průmyslovou výrobu katalytických vrstev a snižuje jejich výrobní náklady. V této práci se věnujeme porovnání obou metod přípravy katalytické vrstvy z hlediska výkonu PEM palivového článku, tloušťky katalytické vrstvy a její elektronové vodivosti. K charakterizaci palivového článku byly využity zátěžové křivky, elektrochemická impedanční spektroskopie a cyklická voltametrie. Dále byly zjištěny vodivosti a tloušťky vrstev, obsahujících různé množství katalyzátoru. Výsledky ukazují, že palivové články s katalytickými vrstvami připravenými inkoustovým tiskem vykazují podobný výkon při použití menšího množství Pt katalyzátoru, vrstvy jsou tenčí a lépe vodivé. Metoda inkoustového tisknutí se jeví jako vhodná pro průmyslovou aplikaci z důvodu nižší spotřeby katalytické směsi a lepších vlastností pro výslednou aplikaci palivového článku.

S narůstající snahou o dekarbonizaci dopravy jde ruku v ruce i zajištění dostatečné nabídky zařízení pro konverzi energie. Potenciálním řešením je bezemisní technologie nízkoteplotních PEM palivových článků využívajících jako palivo vodík. Širší aplikace v praxi je však u této technologie podmíněna celkovým snížením výrobní ceny a ceny surovin. Oba tyto problémy řeší nově rozvíjená metoda inkoustově tisknutých katalytických vrstev. Tato metoda umožňuje vysokou míru automatizace výroby, snížení množství odpadů a zároveň dovoluje další rozvoj palivových článků v podobě tvorby strukturovaných katalytických vrstev. Ve své práci se zabývám srovnáním katalytických vrstev připravených metodou inkoustového tisku s metodou ultrazvukové depozice ze suspenze. Vzorky byly charakterizovány v laboratorní testovací cele metodou elektrochemické impedanční spektroskopie, cyklické voltametrie a změřením zátěžových křivek. Výkonové charakteristiky jsou zkoumány z hlediska navážky platiny, použité membrány, složení inkoustu a použitého katalyzátoru. Vzorky připravené inkoustovým tiskem vykazují vyšší výkony díky lepší homogenitě vrstev. Navíc jsou schopné dosáhnout srovnatelných výkonů při třetinové navážce platiny oproti vzorkům připravených konvenční metodou.

Palivové články PEM představují efektivní způsob konverze vodíku na elektřinu, a proto jsou využívány ve vodíkových energetických systémech. Kvalita přiváděného vzduchu má významný vliv na provoz palivového článku a dlouhodobé životnosti. Problémy pak mohou nastat v případě palivových článků pracujících v průmyslových lokalitách, kde je větší pravděpodobnost přítomnosti kontaminantů, které mohou snižovat výkon palivového článku. Práce se věnuje technologii filtrace vzduchu před vstupem do palivového článku. Do přívodu vzduchu byly přidávány polutanty a byl sledován vliv na výkon palivového článku. Následně byla stanovena účinnost filtrační jednotky pro odstraňování organických a anorganických kontaminantů. Nezbytným bodem bylo posouzení vlivu vniknutí kapalin či pevných částic do prostředí filtru. Byl prokázán relativně malý dopad kontaminace lehkými uhlovodíky na funkci PEM palivového článku stejně tak, jako velmi účinná separace kapek na předřazeném mechanickém odlučovači.  

2-jodylbenzoová kyselina, v literatuře známá jako IBX, je organická sloučenina obsahující atom hypervalentního jódu. Tato látka se využívá k selektivním oxidačním reakcím, například při oxidaci alkoholů na aldehydy či ketony bez rizika přeoxidování na karboxylové kyseliny. Na rozdíl od jiných oxidačních činidel na bázi těžkých kovů (Cr, Mn,...) je tato sloučenina netoxická, což je výhoda při výrobě řady léčiv. Syntéza IBX je drahá a nebezpečná, důvodem je nestabilita IBX při vyšších teplotách a nutnost použití drahých a potenciálně nebezpečných oxidačních činidel. Problémy s bezpečností by šlo vyřešit využitím elektrochemické syntézy, kdy odpadá nutnost použít oxidační činidlo. Výchozí látkou je 2-jodbenzoová kyselina, která je oxidovaná na bórem dopované diamantové anodě v silně kyselém roztoku vhodného rozpouštědla. Elektrochemickou oxidaci lze navíc provozovat za laboratorní teploty, představujte tak levnou a bezpečnou metodu syntézy IBX. Cílem této práce je optimalizovat syntézu IBX v průtočném elektrochemickém reaktoru, tzn. najít takové podmínky (potenciál anody, rozpouštědlo, koncentrace výchozí látky,...), při kterých bude výtěžek této látky maximální. V současnosti je výzkum zaměřen na minimalizaci vzniku vedlejších produktů.  

Diaryljodoniové soli představují zajímavou skupinu látek, které vynikají schopností být mírná vysoce selektivní oxidační či arylační činidla. Jejich nevýhodou je však jejich nestabilita, tudíž je nutno provádět syntézu těchto činidel před jejich využitím. Jejich běžná příprava probíhá z jodosyl a jodyl sloučenin, avšak příprava těchto látek je velice složitá. Možná je výroba pomocí oxidace směsi jodbenzenu a arenu peroxokyselinou, například m-chlorperoxybenzoovou. Nevýhodami této metody jsou nekompatibilita řady arenů a nízké výtěžky produktu. Oproti tomu, elektrochemická syntéza diaryljodoniových solí je založena na přímé anodické oxidaci směsi v nevodném prostředí. Není tak nutno používat oxidačního činidla, což umožňuje výrazně zvýšit bezpečnost provozu a snížit množství produkovaných odpadů. Cílem této práce bylo pochopení vztahu mezi strukturou jodbenzenu a jeho derivátů a jejich oxidačním potenciálem. Hodnoty oxidačních potenciálů budou korelovány s Hammetovými konstantami derivátů jodbenzenu. Tato informace bude následně využita při vlastní syntéze diaryljodoniových solí. Ke studiu byla využita metoda cyklické voltametrie na platinové mikroelektrodě v prostředí acetonitrilu.  

1-fenylethanol je látka s rozsáhlým industriálním využitím. To nachází například v potravinářském a parfumérském průmyslu, při výrobě styrenu nebo nátěrových hmot. Nemalé uplatnění nalézá také v průmyslu farmaceutickém, kde se používá například jako antimikrobiální agens. 1-fenylethanol se vyrábí z acetofenonu redukcí s využitím nebezpečných a toxických látek jako NaBH₄, nebo cestou biotechnologickou, za použití enzymatických reakcí. Problémem alternativní elektrochemické cesty, který ji činí průmyslově nezajímavou, je především dimerizace vznikajících meziproduktů, jež výrazně snižuje výtěžek 1-fenylethanolu. Cílem této studie je prozkoumání vlivu použitého základního elektrolytu na tuto reakci. Potenciál redukce acetofenonu byl studován pomocí cyklické voltametrie na bórem dopované diamantové (BDD) katodě. Následně byl stanoven výtěžek 1-fenylethanolu při preparativní galvanostatické elektrolýze při různých proudových hustotách v průtočné elektrochemické cele s použitím BDD katody. Jako základní elektrolyt byly testovány octany a chloristany s různými protiionty v prostředí methanolu. V prezentaci budou diskutovány zjištěné výsledky ohledně vlivu kationtu a velikosti proudové hustoty na výtěžek 1-fenylethanolu.