k 1. únoru 2010

Příprava a charakterizace dopovaných fotokatalytických materiálů na bázi TiO₂ na rozklad polutantů
kontakt: Mgr. Václav Štengl, PhD.

TiO2 je zřejmě nejperspektivnější anorganický materiál umožňující fotokatalytický rozklad organických polutantů. Jeho použití je omezeno nutností aktivace UV zářením. Aby bylo možné aktivovat fotochemické reakce tohoto materiálu viditelným světlem, je třeba modifikovat strukturu a elektronické vlastnosti čistého TiO₂, například dopováním dalšími prvky. Toho bude dosaženo použitím syntetických metod vyvíjených školitelem v rámci několika běžících projektů aplikovaného výzkumu poskytovaných Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR (viz zde). Připravené materiály budou podrobně charakterizovány konvenčními metodami (specifický povrch a porózita, rtg difrakce, elektronová mikroskopie). Materiály budou testovány pro fotokatalytický rozklad jak modelových sloučenin (Oranž 2, Rhodamin B, kyselina salicylová), tak vybraných organických polutantů s využitím chemicko-analytických metod.


Příprava a charakterizace oxidů a oxido-hydroxidů přechodných kovů na rozklad polutantů
kontakt: Mgr. Václav Štengl, PhD.

Oxidy a hydroxidy Fe, Ti a Zr jsou velmi účinné sorbenty a katalyzátory rozkladu anorganických polutantů. Jejich zavedení do praxe vyžaduje ekonomicky schůdné a ekologicky šetrné metody přípravy, které vedou k produktům umožňujícím práci v provozním měřítku, např. mají dobrou filtrovatelnost, stabilitu při skládkování. K přípravě těchto materiálů byla školitel vyvinuta originální metoda homogenní hydrolýzy pomocí močoviny nebo thioacetamidu. K charakterizaci produktů je pracoviště vybaveno instrumentální technikou, financování práce je zajišťováno projekty aplikovaného výzkumu v rámci podpory průmyslových inovací. Materiály budou využity ke stechiometrickému rozkladu znečišťujících látek pomocí oxidačních nebo srážecích reakcí. Práce bude kombinovat moderní chemické i analytické přístupy a směřovat k praktické aplikaci.


Studium kinetiky a mechanismu rozkladu plynných polutantů na fotokatalytických materiálech
kontakt: Mgr. Václav Štengl, PhD.

Fotokatalytický rozklad plynných polutantů je princip, který najde uplatnění jak při snižování emisí škodlivin v průmyslu, tak při zlepšování kvality vnitřního prostředí. V rámci práce budou připravovány vrstvy fotokatalytických materiálů pro studium fotokatalytického rozkladu těkavých organických látek (VOC), jako jsou např. acetonu a ethanolu, pomocí plynové chromatografie s hmotově spektrometrickou detekcí (GC-MS). Jedním z cílů práce bude také popis reakčního mechanismu rozkladu s sledování případných nebezpečných vedlejších reakčních produktů. Pracoviště školitele je pro tuto práci kompletně vybaveno. Další informace naleznete zde.


Chování vybraných anorganických fází v sekvenčních extrakčních schématech
kontakt: RNDr. Tomáš Grygar, CSc.

Chování oxidů Fe a Mn a nekrystalických bazických solí Fe v Tessierově a Wenzelově extrakčních schématech není dobře popsáno pro nanokrystalické nebo amorfní složky, jako jsou oxidy Mn(III,IV), schwertmannit a další bazické sírany Fe, obecně pro produkty zvětrávání sulfidických rud na haldách a starých dobývkách. Současné existující sekvenční extrakční postupy (pětistupňový systém dle Tessiera et al., 1970 ani současný evropský třístupňový systém BCR) např. neumožňují odlišení oxidů Mn a Fe, které mají odlišnou afinitu k různým těžkým kovům a pro některé syntetické fáze vedou prokazatelně k nesprávným výsledkům. Práce bude srovnávat chování syntetických čistých fází a reálných vzorků ze silně kontaminovaných oblastí v konvenčních schématech analýzy mobility (speciace) vybraných ekotoxických prvků s cílem specifikovat nedostatky stávajících sekvenčních extrakčních postupů. Více informací poskytne školitel.


Kontaminace nivních sedimentů řek těžkými kovy
kontakt: RNDr. Tomáš Grygar, CSc.

V nivách řek, které ukládají při povodních jemné sedimenty, existuje environmentální archív lokální i regionální kontaminace těžkými kovy (např. Cr, Cu, Pb a Zn). Pokud řeky agradují, tj. pokud s časem systematicky roste mocnost povodňových sedimentů, může tento archív obsahovat informaci o vývoji kontaminace za několik posledních staletí až tisícletí. Takový je například případ nivy řeky Moravy na Strážnicku, ale i mnoha dalších českých a moravských řek. Rekonstrukce historické kontaminace je informace se značným mezioborovým přesahem a obrovským vědeckým potenciálem a je v současnosti předmětem poměrně intenzivního vědeckého výzkumu. Podmínkami spolehlivosti takového archívu j dostatečný soubor dat z environmentální analýzy sedimentů, sedimentologický popis nivní výplně a zjištění možné mobility kontaminantů v půdním profilu v říční nivě. Tento problém se řeší na pracovišti školitele v rámci grantu IAAX, na který by tato práce navázala.


Příprava a vlastnosti fotoaktivních hybridních vrstev
kontakt: Ing. Kamil Lang, CSc.

Projekt je zaměřen na studium přípravy a vlastností nanodestiček (tloušťka ~ 0,5 nm) vrstevnatých hydroxidů, které jsou poskládány tak, že v prostoru mezi těmito destičkami jsou umístěny sloučeniny s vhodnými fotofyzikálními a fotochemickými vlastnostmi. Cílem je popsat strukturu takto vzniklých hybridních vrstev (např. použitím elektronové mikroskopie), nalézt podmínky přípravy nanodestiček, definované přípravy orientovaných vrstev a transformace na oxidové nanovrstvy, popis fotofyzikálních vlastností interkalovaných molekul a rychlých fotoindukovaných procesů v sendvičových strukturách oxid-barvivo. Budou využity moderní laserové spektroskopické metody a metody strukturní analýzy. Tyto materiály jsou vhodné pro konstrukci vrstev mající světlem indukované baktericidní povrchy a fotofyzikální vlastnosti vhodné pro konstrukci fotovoltaických článků.


Nové molekulární konstrukty jako senzory a selektivní nosiče malých molekul
kontakt: Ing. Kamil Lang, CSc.

Tento komplexní projekt zahrnuje studium vlastností nových sloučenin odvozených od boranových klastrů a jiných supramolekulárních systémů (např. porfyriny, kalixareny), které uvolňují molekuly plynů po iniciaci světlem, interagují s fullereny nebo jinými fotochemicky aktivními molekulami, mají intenzivní fluorescenci resp. produkují excitovanou formu kyslíku, tj. singletový kyslík. Práce bude zahrnovat design a syntézy molekulárních systémů, studium časově rozlišených fotofyzikálních a fotochemických dějů (možnost měřit až 200 fs procesy), aplikace pro senzing a nosiče malých molekul, které se uvolní laserovým pulzem. Budou využity moderní laserové spektroskopické metody a metody strukturní analýzy.


Chemie karboranů a metallakarboranů jako biologicky aktivních látek
kontakt: RNDr. Bohumír Grűner, CSc.

K nedávným významným výsledkům patří zásadní přínos pracovníků skupiny boru k objevu potenciálního využití borových klastrů jako virostarik. V rámci rozsáhlé mezioborové spolupráce českých vědců z pracovišť ÚACH AV ČR, ÚOCHAB AV ČR, ÚMG AV ČR a VŠCHT Praha bylo prokázáno, že substituované metallakarbaboratové anionty mohou sloužit jako specifické a velmi účinné inhibitory HIV proteázy.  Téma zahrnující pokročilou syntetickou chemii a charakterizaci látek pomocí přístrojových metod (NMR, M.S., LC-MS a HPLC) bude navazovat na tyto výsledky a  týká se především vývoje nových syntetických postupů použitelných při optimalizaci struktury aktivních inhibitorů a při vývoji dalších biologicky aktivních molekul.  Předmětem studia bude úzká spolupráce s týmy, které se zabývají chováním látek v roztoku a testy biologické aktivity.


Modifikace metalla bis(dikarbollidů)  funkčními skupinami vhodnými pro komplexaci a extrakci kationtů Cs⁺ a Sr²⁺, La³⁺/An³⁺
kontakt: RNDr. Bohumír Grűner, CSc.

Výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách vede k produkci radioaktivního jaderného odpadu, který reprezentuje hlavní ekologické nebezpečí pro příští generace. Výrazné snížení objemu vysoce aktivních odpadů je proto velmi důležitým úkolem a stále více států reálně uvažuje o uzavřeném palivovém cyklu s přepracováním jaderného paliva, separací nebezpečných radionuklidů  likvidací dlouhodobých nuklidů transmutačními technologiemi (P&T koncept). Modifikované borové klastrové anionty jsou pro svojí vysokou chemickou a radiační stabilitu, velkou separační účinnost a dobrou selektivitu (především pro Cs⁺ and Sr²⁺) vhodnými kandidáty pro isolaci radionuklidů metodami extrakce z vodné do organické fáze.  Jejich robustní vlastnosti lze dokumentovat úspěšným využitím technologie kobalt bis(dikarbollidového) procesu (původně vyvinut v ČR spoluprací ÚACH a ÚJV Řež) k průmyslové separaci Cs⁺ a Sr²⁺ (o celkové aktivitě větší než 107 Ci po roce 1996) v unikátním zařízení Mayak (Ozersk, Ruská Federace), či úspěšných demonstračních testech separace ekologicky nebezpečných radionuklidů z odpadů v USA (modifikovaný proces UNEX).  Předmětem práce je cílený vývoj nových typů  extrakčních činidel se zvýšenou selektivitou. Té je dosahováno kovalentní vazbou organických  komplexujících funkčních skupin na skelet klastrových borátových a metallakarbaboratových aniontů, či jejich preorganizace na supramolekulárních matricích typu calixarenů. Téma zahrnuje pokročilou syntetickou chemii a charakterizaci látek pomocí přístrojových metod (NMR, MS, LC-MS a HPLC).

Více než deset let tvoří lithno-iontové baterie hlavní zdroj elektrické energie v přenosných zařízeních a komunikačních přístrojích. Prioritní je nyní výzkum a vývoj velkoobjemových baterií vzhledem k vysokému zájmu automobilového průmyslu o lithno-iontové baterie jako zdroje energie pro plně elektrické (FEV) nebo hybridní (HEV) dopravní prostředky. Zde je klíčová otázka bezpečnosti, protože současné baterie jsou značným potencionálním rizikem: obsahují hořlavé a těkavé organické látky i látky nepřátelské vůči lidskému zdraví i vůči životnímu prostředí. Je-li baterie mechanicky poškozena nebo nesprávně nabíjena, může snadno dojít k nekontrolovaným vnitřním reakcím končícím obvykle zahořením nebo výbuchem. Při zvětšení takovéto baterie z objemu cca 10 cm³ (baterie mobilního telefonu) na několikanásobně větší objemy baterie elektrického automobilu jde o vysoce rizikovou komponentu vozidla. Vzhledem k obrovskému zájmu automobilového průmyslu se jedná o vysoce perspektivní oblast výzkumu.

Cílem práce bude příprava a studium iontových kapalin jako nových součástí lithno-iontových baterií, které zvyšují tepelnou, mechanickou a tudíž i požární odolnost. Uplatní se především jako hlavní součást elektrolytu baterie. Součástí práce bude jejich příprava, charakterizace pomocí řady technik (elektrochemická i spektroskopická měření) a testování ve zkušebních článcích.

Studium samo-uspořádaných mono-molekulárních vrstev funkčních derivátů boranových klastrů na površích kovových filmů představuje mezioborový výzkum se zameřením na řadu technických aplikací (např. molekulární ochrana stříbrných povrchů proti korozi). V posledních několika letech byl systematicky studován potenciál karboranových klastrů pro využití v této oblasti a disertační práce je navržena jako studium různých klastrových architektur coby základních stavebních bloků pro modifikaci zlatých povrchů na molekulární úrovni. Práce obsahuje pokročilou syntézu, charakterizaci nových připravených derivátů a jejich studium po imobilizaci na povrchu zlatých popř. stříbrných filmů.

Cíl tohoto projektu je inspirace řešení struktur neznámých nanokrystalických látek použitím transmisního elektronového mikroskopu HRTEM JEOL JEM 3010  (300 kV urychlovací napětí, rozlišovací schopnost 1.9 Ǻ) a precesní elektronové techniky (PED) připojené k mikroskopu. Vysokorozlišovací transmisní elektronová metoda (HRTEM) je moderní a prozatím jedinečná alternativa pro provedení strukturně analýzy  nanomateriálů. Kombinace HRTEM s PED zvyšuje výkonnost této metody protože umožňuje ab initio řešení struktur neznámých nano-dimenzních látek (1-5 nm), zvlášť v případech koexistence více fází a/nebo jejich malé krystalinity. Tato hybridní metoda je velice užitečná při popisu nanočástic rozptýlených v různých matricích. PED je založená na zvýšení intenzity reflexí v elektronovém difrakčním záznamu, což umožní její využití pro řešení struktur nových nanomateriálů. Technika umožňuje automatickou orientace nanokrystalů a fázový barevný mapping jednotlivých fází. Strukturní model nanofunkčních materiálů získaný pomocí HRTEM/PED se muže kombinovat s jinými metodami pro řešení struktur jako jsou rentgenová a neutronová prášková difrakce.