|
|
2D materials for electrocatalysis and hydrogen generation as clean energy source
Sanna, Michela ; Kim, Daewoo (oponent) ; Urso, Mario (oponent) ; Pumera, Martin (vedoucí práce)
The electrochemical production of hydrogen from water is gaining more attention as a clean and renewable energy source in response to the alarming environmental issues caused by the exploitation of fossil fuels during the last centuries. However, the process can be considered an environmentally friendly alternative only if it is fuelled using renewable sources of energy, like solar energy, the largest carbon-free resource available on our planet. Solar energy can be converted to electricity via solar panels and electrical energy be used for water splitting via electrocatalysts, such as platinum. Alternatively, the water splitting to hydrogen can be carried out directly via solar light energy. However, the yields of direct photochemical water splitting are low. The combination of both approaches, also called photoelectrochemical water splitting, combines the best of both worlds – electrocatalytic water splitting with the aid of photons. For these reason, the study of novel materials based on earth-abundant elements that can be applied as photoelectrocatalysts for hydrogen generation is fundamental to guiding society toward more sustainable energy production. This thesis explores the potential of the emerging two-dimensional (2D) materials and related layered compounds, alongside investigations into the utility of 3D printing for fabricating functional electrodes in the field of photoelectrochemistry. The study of several transition metal selenophosphites confirmed their potential as photoelectrocatalysts for hydrogen generation, in particular under the influence of visible light. MAX phases were modified through exposure to fluorine gas and the properties of the obtained fluorinated MAX were investigated, starting from their morphology to their potential as photoelectrocatalysts for the hydrogen evolution reaction. The fluorinated phases showed better performances compared to the untreated MAX phases. The improved catalytic activity was attributed to photoactive oxyfluorides that formed as a consequence of the fluorination process. The photoactivity of the MAX phases was further investigated both by theoretical and experimental approaches, to understand the origin of the photocatalytic behaviour. The results showed that the presence of oxide impurities on the phases plays a crucial role in the photoelectrochemical production of hydrogen. The role of the oxides in the photocatalytic activity of these compounds inspired the fabrication and investigation of 3D printed electrodes and their modification with atomic layer deposited oxides, like TiO2, SiO2, and Al2O3. Also in this case, the presence of a thin layer of oxide on the surface of the electrode contributed to significantly better performances under the influence of visible light. The obtained results demonstrated the importance of the fundamental study of novel 2D materials for application in the photoelectrochemical production of hydrogen and open new insights into the fabrication of innovative 3D printed conductive devices that can be modified with functional materials for energy conversion.
|
|
|
Electrochemical study of novel materials for energy conversion application
Novčić, Katarina ; Rees, Neil (oponent) ; Kim, Daewoo (oponent) ; Pumera, Martin (vedoucí práce)
A promising alternative to resolve the current energy and environmental crisis lies in the utilization of electrochemical water splitting via hydrogen evolution reaction (HER). Therefore, there is urgency for investigation and development of new electrocatalysts for the energy conversion application. Different novel materials have been promising electrocatalysts for the HER. Among them, two-dimensional (2D) materials such as transition metal dichalcogenides (TMDs), MAX phases and MXenes have drawn much attention due to their distinctive electrochemical properties. Even though 3D-printing opened the way for the fast prototyping and manufacturing of electrode devices, their merging with different 2D materials still remains challenging. This Thesis deals with the electrochemical study of different novel materials for energy conversion applications and clean hydrogen production. It represents a study on the macroscopic and microscopic electrochemical performance of modified 3D-printed nanocarbon electrodes and TMDs, MAX phase, and MXene electrocatalysts. The macroscopic electrochemical activity is examined by traditional techniques such as voltammetry, providing information about the average electrochemical performance of the materials. Additionally, their microscopic electrochemical activity is performed by scanning electrochemical microscopy (SECM), which gives an insight into the local differences in the materials' electrochemical activity and provides information about the distribution and uniformity of the HER active sites on the material surfaces. This Thesis has broad implications for the general understanding of the electrocatalytic performance of novel 2D materials, which is important for their future development as electrocatalysts.
|
|
|
Microscopic and spectroscopic analysis of elementary 2D materials
Jeřábek, František ; Procházka, Pavel (oponent) ; Kolíbal, Miroslav (vedoucí práce)
This work presents an atomic-level mapping of the structures formed upon deposition of phosphorus on a Cu(111) single-crystal under ultra-high vacuum conditions. A comprehensive overview of the current advancements in the synthesis of black and blue phosphorene is provided, encompassing both experimental preparation techniques and predictions of degradation processes. The analysis employs atomically-resolved scanning tunneling microscopy and spectroscopy to examine three distinct structures characterized by varying levels of phosphorus coverage. Remarkably, this investigation succeeds in identifying a large-scale single-layer blue phosphorene. Furthermore, an in-situ examination of the stability of these structures is conducted, revealing the rapid degradation of blue phosphorene even within an ultra-high vacuum environment.
|
|
|
Depozice molekulárních magnetů na „2D“ materiály
Vavrečková, Šárka ; Musálek, Tomáš (oponent) ; Hrubý, Jakub (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce se zabývá depozicí jedmolekulárních magnetů na 2D materiály a studiem jejich chování na površích. Teoretická část pojednává o jednomolekulárních magnetech, způsobech jejich depozice a vybraných 2D materiálech – grafenu a sulfidu molybdeničitém. Dále jsou popsány fyzikální principy zvolených charakterizačních metod (mikroskopie atomárních sil, Ramanova spektroskopie, rentgenová fotoelektronová spektroskopie a elektronová paramagnetická rezonance). V experimentální části byla provedena exfoliace grafitu a sulfidu molybdeničitého a následně depozice vybraného jednomolekulárního magnetu jak z roztoku tak pomocí termální sublimace. Výsledné vícevrstevnaté vzorky byly posléze charakterizovány pomocí zmíněných metod a na závěr byly diskutovány výsledky.
|
|
|
Příprava nových 2D materiálů
David, Jiří ; Čechal, Jan (oponent) ; Kolíbal, Miroslav (vedoucí práce)
Tato práce se věnuje hledání experimentálních podmínek vhodných pro přípravu silicenu, vícevrstvého silicenu a fosforenu v UHV prostředí. Struktura a morfologie připravených materiálů byla analyzována pomocí metod LEED a LEEM, prvkové složení pomocí XPS. První část práce tvoří rešerše zabývající se vlastnostmi a strukturou těchto materiálů. Druhá část je věnována jejich přípravě. Úspěšně se podařilo připravit pouze silicen. U vícevrstvého silicenu se nepodařilo dosáhnout vhodných experimentálních podmínek v používané aparatuře. Při depozici fosforu bylo dosaženo pouze vzniku struktury sloužící zřejmě jako prekurzor fosforenu.
|
|
|
Luminiscence polovodičů studovaná rastrovací optickou mikroskopií v blízkém poli
Těšík, Jan ; Klapetek, Petr (oponent) ; Křápek, Vlastimil (vedoucí práce)
Práce je zaměřena na studium luminiscence atomárně tenkých vrstev chalkogenidů přechodných kovů (např. sulfid molybdeničitý MoS2). V experimentální části se věnuje připravě atomárně tenké vrstvy polovodivých chalkogenidů a následné tvorbě plazmonových interferenčních struktur okolo těchto vrstev. Při osvitu interferenční struktury v ní dojde k vytvoření stojaté plazmonové vlny, která budí fotoluminiscenci polovodiče. Fotoluminiscence byla studována jednak pomocí spektroskopie ve vzdáleném poli, jednak pomocí optické mikroskopie v blízkém poli.
|
|
|
Senzory plynů založené na 1D a 2D materiálech
Brodský, Jan ; Glowacki, Eric Daniel (oponent) ; Gablech, Imrich (vedoucí práce)
V této práci jsou popsány obecné vlastnosti základních senzorů plynů, zaměřuje se zejména na chemorezistivní typ a chemicky citlivý unipolární tranzistor, kterým se dále věnuje v praktické části. Dále popisuje vlastnosti vybraných 1D a 2D materiálů, metody jejich přípravy a přenosu. Praktická část práce popisuje návrh a výrobu čipů, které kombinují výše uvedené senzorické principy pro využití 1D a 2D materiálů jako aktivní vrstvy. Poté jsou popsány postupy přenosů jednotlivých materiálů na vyrobené čipy, a tyto materiály jsou charakterizovány pomocí Ramanovy spektroskopie a měření charakteristik unipolárního tranzistoru z těchto materiálů. Na závěr jsou měřeny odezvy zvolených materiálů na vybrané oxidační a redukční plyny.
|
|
|
Fabrication and characterization of atomically thin layers
Tesař, Jan ; Kunc, Jan (oponent) ; Procházka, Pavel (vedoucí práce)
This work is focused on the area of two-dimensional materials, their preparation, and analysis. Probably the most known representative of two-dimensional materials is the graphene. This 2D carbon allotrope, sometimes called the "father of 2D materials", offers an intriguing combination of electrical, thermal, and mechanical properties. Graphene received a lot of attention and has been prepared by many approaches. Still, one preparation method stands superior in the meaning of graphene quality. Mechanical exfoliation is very simple in comparison to other techniques that still produces graphene of the highest quality. The thesis is also focused on the optimization of the process producing heterostructures based upon graphene and hBN layers. The established process yielded multiple van der Waals heterostructures, which were analyzed by Raman spectroscopy, atomic force microscopy, and low electron energy microscopy. The charge carrier mobility measurements were also accomplished at the GFET setup. Obtained values of mobility demonstrated excelling transport properties of the exfoliated graphene over the graphene prepared by other methods. Thus proving the described creation process as suitable for the preparation of quality heterostructures.
|
|
|
Příprava jednoprvkových 2D materiálů a heterostruktur
David, Jiří ; Redondo,, Jesús Rubén López-Roso (oponent) ; Kolíbal, Miroslav (vedoucí práce)
Tato práce se zaměřuje na přípravu modrého fosforenu na Ag(111) a Cu(111) substrátech a na přípravu heterostruktury modrého fosforenu a grafenu na Cu(111) substrátu. Struktura těchto materiálů byla analyzována pomocí metod LEED, LEEM a STM, chemické složení pomocí XPS. První část práce se věnuje vlastnostem modrého fosforenu, vlivu substrátu na jeho přípravu, současnému experimentálnímu stavu a výhodám heterostruktur. Druhá část se nejprve zaměřuje na optimalizaci růstových podmínek modrého fosforenu na Ag(111). Následně je demonstrována příprava modrého fosforenu na Cu(111) substrátu a je popsán jeho nový růstový mechanismus. Na závěr byl učiněn pokus o přípravu modrého fosforenu na grafenové vrstvě, který naznačuje potenciál tohoto postupu v dalším výzkumu.
|
|
|
Microscopic and spectroscopic analysis of elementary 2D materials
Jeřábek, František ; Procházka, Pavel (oponent) ; Kolíbal, Miroslav (vedoucí práce)
This work presents an atomic-level mapping of the structures formed upon deposition of phosphorus on a Cu(111) single-crystal under ultra-high vacuum conditions. A comprehensive overview of the current advancements in the synthesis of black and blue phosphorene is provided, encompassing both experimental preparation techniques and predictions of degradation processes. The analysis employs atomically-resolved scanning tunneling microscopy and spectroscopy to examine three distinct structures characterized by varying levels of phosphorus coverage. Remarkably, this investigation succeeds in identifying a large-scale single-layer blue phosphorene. Furthermore, an in-situ examination of the stability of these structures is conducted, revealing the rapid degradation of blue phosphorene even within an ultra-high vacuum environment.
|
host ::
RSS.