Přehled témat disertačních prací 2024-2025

Školitel:
Ing. Daniel Bůžek, Ph.D. Fakulta životního prostředí UJEP; Tel. 475284173, email: ;

Konzultanti:
RNDr. Jan Demel, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236996, e-mail:
Ing. Kamil Lang, CSc., DSc. Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236900, e-mail:

Organokovové sítě (Metal-Organic Frameworks – MOFy) jsou rychle se rozvíjející obor krystalických materiálů založených na kombinaci kovových klastrů s organickými spojovacími molekulami. Díky dané geometrii jednotlivých stavebních bloků vznikají porézní struktury s povrchem často 1000-2000 m²/g. Široká škála možných kovů a spojovacích molekul dává nepřeberné kombinace, jejichž vlastnosti mohou být ‚ušity na míru‘ dané aplikaci.

Cílem disertační práce bude studium využití organokovových sítí pro environmentální aplikace, především sorpci, rozklad vybraných molekul a studium stability MOFů během sorpce a rozkladů. Jelikož organokovové sítě mají známou krystalovou strukturu, dalším úkolem bude korelovat chemické a texturní vlastnosti sítí s jejich schopností sorpce a rozkladu molekul. V rámci disertační práce se student naučí syntetické postupy při přípravě organokovových sítí, jejich charakterizace (práškový XRD, sorpce N₂, termická analýza apod.) a dále pak HPLC, kterým se bude sledovat sorpce, rozklady a stabilita MOFů. Přibližně polovina práce bude probíhat na FŽP UJEP pod vedením Daniela Bůžka, zbytek pak na ÚACH AV ČR v Řeži.

English:

Metal-organic frameworks for environmental applications

Metal-organic frameworks (MOFs) are fast growing area of crystalline solids based on the combination of metal clusters with organic linking molecules. Because of rigid geometry of the building blocks porous structures are formed. The specific surface area often exceeds 1000 m²g^-1. Wide variety of possible metals and linking molecules give countless possible structures, which means that the properties of the MOFs can be tailored for specific application.

The aim of the dissertation work will be the preparation of novel porous structures, characterization and the study of its applications, mainly as sorbents of emerging pollutants. During the course, the applicant will master systematic workflow in the laboratory, analysis of wide range of characterization methods (powder XRD, adsorption of nitrogen, FTIR, NMR, etc.) and performing application studies for testing sorption of pollutants.

Approximately half of the work will be done at the FŽP UJEP and the rest at the Institute of Inorganic Chemistry in Řež

Školitel:
RNDr. Jan Demel, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH, Tel.: 311236996, e-mail:

Konzultant:
Ing. Daniel Bůžek, Ph.D. Fakulta životného prostředí UJEP; Tel. 475284173, email: ;

Aktivní borán je novým typem porézního polymeru, který byl vyvinut na Ústavu anorganické chemie v Řeži. Aktivní borán vzniká termální syntézou boránových klastrů s organickými molekulami při vysoké teplotě. Analýza ukazuje, že je pravděpodobně složen z boránových klastrů pospojovaných pomocí organických můstků. Prvotní studie ukazují, že tento typ materiálu má nejen vysokou sorpční kapacitu pro testované emergentní polutanty, ale také je účinným katalyzátorem reakcí katalyzovaných Lewisovskými kyselinami.

Cílem disertační práce bude příprava nových porézních struktur, jejich detailní charakterizace a použití jako sorbenty toxických polutantů a jako katalyzátory pro odstraňování perzistentních polutantů například halogenovaných sloučenin. V rámci disertace se student naučí systematické práci v laboratoři, vyhodnocování dat z celé řady charakterizačních metod (práškový XRD, sorpce N₂, infračervená spektroskopie, NMR, atd.) a studium použití připravených porézních struktur pro konkrétní aplikace. Většina práce bude probíhat na ÚACH AV ČR v Řeži.

English:

Activated borane as new porous material for environmental application

Activated borane is a new type of porous polymer that was first prepared at the Institute of Inorganic Chemistry in Řež. Activated borane is formed by thermal co-thermolysis of borane clusters with organic molecules. Initial analysis shows that the polymer is probably composed of borane clusters connected by organic linkers coming from the organic molecules. Initial studies demonstrated that activated borane is a perspective material for sorption of water pollutants and as catalyst for Lewis-acid catalyzed reactions.

The aim of the dissertation work will be the preparation of novel porous structures, characterization and the study of its applications, mainly as sorbents of emerging pollutants and catalysts for decomposition of persistent pollutants such as halogenated compounds. During the course, the applicant will master systematic workflow in the laboratory, analysis of wide range of characterization methods (powder XRD, adsorption of nitrogen, FTIR, NMR, etc.) and performing application studies for testing sorption and catalytic degradation of pollutants.

The majority of the work will be done at the Institute of Inorganic Chemistry in Řež

Školitel:
Kaplan Kirakci, PhD., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 266172194, e-mail:

Konzultant:
Kamil Lang, CSc., DSc. Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 266172193, e-mail:

Práce je zaměřena na přípravu modifikovaných kovových klastrů a studium jejich fotofyzikálních vlastností. Jedná se převážně o šestijaderné molybdenové klastry – nanometrové struktury složené z oktaedricky uspořádaných atomů molybdenu a z osmi pevně vázaných atomů jódu, které vytvářejí deformovanou krychli s atomy molybdenu ve středech stran. Na Mo atomy je navázáno dalších šest ligandů, jejichž volbou lze určovat vlastnosti sloučenin.

V rámci projektu bude připravena řada nových, doposud nepopsaných sloučenin, které po ozáření světlem vykazují výraznou luminiscenci a produkci excitované formy kyslíku – singletového kyslíku. Singletový kyslík je vysoce reaktivní a inaktivuje mikroorganismy. Tato funkce bude využita k přípravě antimikrobiálních povrchů.

Většina prací bude probíhat na pracovišti Ústavu anorganické chemie AV ČR v Řeži.

English:

Molecular clusters for antimicrobial surfaces

The work is focused on the preparation of modified metal clusters and the study of their photophysical properties. These are mainly hexanuclear molybdenum clusters – nanometer structures composed of octahedrally arranged molybdenum atoms and eight tightly bound iodine atoms, which create a deformed cube with molybdenum atoms in the center of the sides. Another six ligands are attached to the Mo atoms, the choice of which can determine the properties of the compounds.

As part of the project, a number of new, as yet undescribed compounds will be prepared, which after irradiation with light show significant luminescence and the production of an excited form of oxygen – singlet oxygen. Singlet oxygen is highly reactive and inactivates microorganisms. This feature will be used to prepare antimicrobial surfaces.

Most of the work will take place at the Institute of Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Czech Republic in Řež.

Školitel:
Mgr. Jan Hynek, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236996, e-mail:

Konzultanti:
Ing. Daniel Bůžek, Ph.D. Fakulta životního prostředí UJEP; Tel. 475284173, email: ;
RNDr. Jan Demel, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236995, e-mail:

Organokovové sítě (Metal-Organic Frameworks, MOF) jsou krystalické materiály složené z kationtů kovů propojených organickými ligandy. Díky pevně dané geometrii stavebních bloků mají MOF porézní charakter a dosahují měrných povrchů v řádu několika tisíc m²/g. Pro přípravu MOF lze využít široké škály kovů a organických ligandů, což umožňuje účinné ladění velikosti a chemické povahy pórů, o čehož se následně odvíjí možné aplikace těchto materiálů.

Cílem práce je příprava zirkoničitých MOF obsahujících jako ligand tetrakis(4-karboxyfenyl)porfyrin a jeho deriváty se snahou maximalizovat jejich protonovou vodivost. Protonově vodivé materiály jsou důležitou součástí membrán ve vodíkových palivových článcích, které představují perspektivní způsob pohonu dopravních prostředků šetrný k životnímu prostředí. Pomocí metod chemické substituce ligandů a post-syntetické modifikace MOF budou do struktur zavedeny skupiny s funkcí donorů (fosfonáty, fosfináty, sulfonáty) či akceptorů (aminy) protonů, jejichž přítomnost usnadní mobilitu protonů v porézní struktuře těchto materiálů.

V rámci práce se bude student věnovat syntéze MOF, jejich charakterizaci (prášková RTG difrakce, adsorpce plynů, termická analýza apod.) a stanovení chemického složení a stability (HPLC, ICP-MS). Pracovní aktivity studenta budou rozloženy mezi FŽP UJEP (pod vedením Daniela Bůžka) a ÚACH AV ČR v Řeži.

Školitel:
RNDr. Karel Škoch Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236925, e-mail:

Konzultant:
Jan Demel, PhD., Oddělení materiálové chemie, ÚACH Tel.: 311236996, e-mail:

Sloučeniny těžkých kovů mají v syntetické chemii výsadní pozici jako katalyzátory pro celou řadu chemických transformací, a tak nacházejí běžné využití v laboratořích i průmyslových procesech. S jejich využitím jsou však spojeny inherentní problémy jako je jejich vysoká cena, značná toxicita a ekologická zátěž při jejich získávání i separaci z produktů. Zejména v poslední době narůstají i strategická rizika, jelikož jsou často získávány v politicky problematických zemích. I z těchto důvodů vychází potřeba hledat nové a alternativní postupy, které by přechodné kovy nahradily, případně přinesly nové možnosti pro syntetickou chemii.

Práce cílí na přípravu a charakterizaci unikátních kationtových sloučenin boru, boranyliových solí jakožto Lewisovkých superkyselin. Kromě možnosti jejich syntézy bude studovány jejich fotofyzikální vlastnosti a reaktivita a jejich případné využití jako kalyzátorů pro hydrosilylační a hydroborační reakce. Během práce si aplikant osvojí pokročilé syntetické techniky na rozhraní organické a anorganické chemie, naučí se pracovat se sloučeninami citlivými na vzduch a zdokonalí v typických charakterizačních metodách v organické chemii (NMR, IR, MS, XRD…).

Práce bude probíhat na Ústavu anorganické chemie AV ČR v Řeži.

Školitel:
prof. Ing. Pavel Janoš, CSc., FŽP UJEP, Tel. 475 284 148, e-mail:

Konzultanti:
prof. Ing. Ivo Šafařík, DrSc., Biologické centrum AV ČR, České Budějovice

Výzkum bude zaměřen na přípravu a testování vybraných oxidů kovů (zejména železa a ceru), které vykazují schopnost urychlovat některé biologicky významné reakce podobným způsobem, jako „konvenční“ enzymy. Tato schopnost se projevuje zejména u nanostrukturovaných forem těchto materiálů – odtud název nanozymy. Na pracovišti školitele byla vyvinuta řada materiálů na bázi oxidu ceričitého, z nichž některé prokázaly schopnost urychlovat např.  defosforylační reakce organofosforečných sloučenin o několik řádů (z řádu milionů let na několik minut). Na pracovišti prof. Šafaříka byl mj. vyvinut unikátní postup přípravy magnetických forem oxidů železa s využitím mikrovlnného pole. V nedávné době se podařilo připravit magneticky separovatelný materiál s aktivní vrstvou tvořenou oxidem ceričitým vykazující pseudo-enzymatické schopnosti.

V rámci projektu budou syntetizovány nové materiály na bázi oxidů kovů, budou testovány jejich pseudo-enzymatické vlastnosti. Předpokládá se, že student ovládá (nebo si osvojí) metody přípravy anorganických materiálů či nanomateriálů, běžné metody jejich charakterizace, a současně si osvojí základy některých bio-věd (mikrobiologie, enzymologie).

Školitel:
Ing. Jiří Henych, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH AV ČR Řež/FŽP UJEP Tel.: 311 236 921, e-mail:

Konzultanti:
Ing. Martin Šťastný, Ph.D., prof. Ing. Pavel Janoš, CSc.

Relativně unikátní redoxní a acidobazické vlastnosti, optické a elektronické vlastnosti, vysoká mobilita kyslíku v krystalové mříži, zajímavá biologická aktivita či schopnost napodobovat funkce široké škály enzymů činí z nanočástic CeO₂ jeden z nejstudovanějších nanomateriálů na bázi oxidů kovů. To je dáno i hojností ceru v zemské kůře (která je srovnatelná např. s mědí či zinkem), snadnou přípravou, tepelnou stabilitou nebo nízkou toxicitou. Vzhledem k velkému množství vyvinutých syntetických postupů se vlastnosti připravených částic CeO₂, včetně těch povrchových, chemických, optoelektronických, morfologických, jakož i chování v biologických systémech a toxicita se výrazně liší, což předurčuje použitelnost nano-CeO₂ ve velmi různorodých oblastech od průmyslu přes environmentální aplikace po biomedicínu. Je proto velmi žádoucí objasnit, jak různé fyzikálně-chemické vlastnosti odvozené z různých syntetických procesů ovlivňují chování nanočástic v různorodých katalytických (i jiných) reakcích a jejich interakci s biologickými systémy. Je zcela zásadní pochopit vztah mezi vlastnostmi CeO₂ nanočástic a jejich reaktivitou, jakož i popsat mechanizmus a kinetiku chemických (a jiných) procesů probíhajících na povrchu CeO₂. Práce se zaměřuje na syntézu funkčních nanočástic CeO₂ a popis jejich vlastností a reaktivity pomocí metodik a postupů dostupných na pracovištích ÚACH AV ČR a UJEP.

Školitel:
Ing. Martin Šťastný, Ph.D., Oddělení materiálové chemie, ÚACH AV ČR Řež Tel.: 311 236 920, e-mail:

Konzultanti:
Ing. Jiří Henych, Ph.D., FŽP UJE
prof. Ing. Pavel Janoš, CSc., FŽP UJEP

Grafén je dvojrozměrná struktura tvořená monovrstvou atomů uhlíku se specifickým uspořádáním atomární mřížky. Občas se jako grafén označuje struktura, kterou tvoří více než jedna monovrstva uhlíku, tzv. vícevrstvý grafén („few-layer graphene“). Mezi význačné vlastnosti grafénu patří výborná elektrická a tepelná vodivost (je dokonce lepším vodičem než měď).

Nejjednodušším způsobem získání grafénu je metoda mechanické exfoliace, kterou jako první popsali Novoselov a Geim v roce 2004.

Exfoliaci grafitu na grafenové vrstvy lze provést sonikací v ultrazvukovém homogenizátoru v organických rozpouštědlech s podobnou hodnotou povrchového napětí, jakou můžeme naměřit pro grafit (NMP, DMSO, DMF, apod.).

Ultrazvukové procesory vybavené sondou (sonotroda) mohou vytvářet intenzivní amplitudy, které přenáší ultrazvukové vlny do kapalného média – exfoliačního rozpouštědla, kde v důsledku působení ultrazvukových vln na kapalinu dochází k lokálnímu periodickému zhušťování a zřeďování kapaliny. Při poklesu tlaku dochází v určitých místech kapaliny ke vzniku parních bublinek. Při následném nárůstu tlaku dochází k jejich kolapsu spojenému s lokálním zvýšením tlaku a teploty. Kavitace vznikne, když amplituda akustické vlny dosáhne určité hodnoty, která se nazývá kavitačním práh.

Vysoce výkonná ultrazvuková exfoliace umožňuje produkovat kvalitní několikavrstvý grafen ve čtvrt-provozním měřítku za relativně krátkou dobu.

Cílem projektu (disertační práce) je vyvinout účinné “top-down” metody založené na ultrazvukové exfoliaci grafitu k získávání grafenu. Vlastnosti grafénových vrstev budou charakterizovány pomocí elektronové mikroskopie (SEM, TEM), mikroskopie atomárních sil (AFM), Ramanovy spektroskopie, rentgenové difrakční analýzy (XRD) a rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS). Vyrobený grafen může být využit v oblasti heterogenní katalýzy při přípravě nových typů účinných dvoudimenzionálních (2D) katalyzátorů.