Interaction of water vapor with epitaxial layers of cerium dioxide

Description in Czech

Cer (Ce) je jedním z nejhojněji zastoupených prvků ze skupiny kovů vzácných zemin. Jeho jedinečnou vlastností je, že může existovat ve dvou oxidačních stavech: Ce III (Ce³⁺) a Ce IV (Ce⁴⁺)[1,2]. Současný výzkumukazál, že nanostrukturovaný oxid ceru, CeO_x,vykazuje multi-enzymatickou aktivitu pro záchyt a eliminaci reaktivních kyslíkovýchdruhů (ROS), a dal by se tedy využít jako antioxidant v biomedicíně[3].Vlastnosti oxidu ceru, kteréjsou podobné enzymům,jsou obecně připisovány buď kyslíkovým vakancím na povrchu nebo smíšeným valenčním stavům Ce³⁺ a Ce⁴⁺[4].Rychlost změny mezi stavy Ce³⁺ and Ce⁴⁺ přitomhraje klíčovou roli[5]. Nicméně, oxidační a redukční procesy na povrchu oxidu ceru nejsou dosud plně pochopeny, zvláště ve vodním prostředí[6].Cílem této práce je porozumět, jakým způsobem molekuly vody ovlivňují oxidační stav Ce³⁺ a Ce⁴⁺právě ve vodním prostředí.

Modelové vrstvy budou připraveny v ultravysokém vakuu (UHV) a jejich struktura a složení budou ověřenymetodou difrakce elektronů s nízkou energií (LEED) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS)[7,8].Hlavní část práce bude zaměřenana studium modelových epitaxních vrstev oxidu ceru a jejich interakci s vodními parami metodou XPS za zvýšených tlaků (NAP-XPS).

Zásady pro vypracování:

1. Studium doporučené literatury.
2. Seznámení se s experimentálními metodami povrchové analýzy (XPS, LEED) a specifiky NAP-XPS.
3. Příprava epitaxních vrstev CeO₂ a jejich charakterizace.
4. Studium interakce povrchů CeO₂ s vodními parami za zvýšených tlaků, NAP-XPS.
5. Vyhodnocení získaných dat, sepsání práce.

Literatura:

1. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, ISBN: 1-86094-299-7.
2. B.C. Nelson, M.E. Johnson, M.L. Walker, K.R. Riley, C.M. Sims, Antioxidant Cerium Oxide Nanoparticles in Biology and Medicine, Antioxidants-Basel, 5 (2016).
3. I. Celardo, J.Z. Pedersen, E. Traversa, L. Ghibelli, Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles, Nanoscale, 3, 1411-1420 (2011).
4. V. Nicolini, E. Gambuzzi, G. Malavasi, L. Menabue, M.C. Menziani, G. Lusvardi, A. Pedone, F. Benedetti, P. Luches, S. D’Addato, S. Valeri, Evidence of Catalase Mimetic Activity in Ce³⁺/Ce⁴⁺ Doped Bioactive Glasses, The Journal of Physical Chemistry B, 119, 4009-4019 (2015).
5. C. Xu, X.G. Qu, Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications, Npg Asia Mater, 6 (2014).
6. J.-D. Cafun, K.O. Kvashnina, E. Casals, V.F. Puntes, P. Glatzel, Absence of Ce³⁺ Sites in Chemically Active Colloidal Ceria Nanoparticles, ACS Nano, 7, 10726-10732 (2013).
7. D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, vol. 2 - Auger and X-ray Photoelectron spectroscopy, Wiley, 1990, ISBN 0-471-92081-9.
8. J. Mysliveček, V. Matolín, I. Matolínová, Heteroepitaxy of Cerium Oxide Thin Films on Cu(111), Materials, 8, 6346-6359 (2015).