Vývoj elektrochemických senzorů na bázi oxidu ceru pro detekci látek znečišťujících životní prostředí

Využití anorganických materiálů pro vývoj organických elektrod s dobře definovanou morfologií a fyzikálně-chemickými vlastnostmi je slibnou cestou pro konstrukci nových snímacích zařízení pro monitorování polutantů životního prostředí. Kromě jiných materiálů se oxid ceričitý stal atraktivním kvůli svým specifickým elektronickým vlastnostem a úspěšné aplikaci v katalytických a zdravotnických systémech. Nedávno jsme ukázali, že tenké vrstvy oxidu ceru mohou být použity jako elektrodový materiál bez enzymů pro elektrochemickou detekci a detekci peroxidu vodíku (DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.205). Obecně je výzkum aplikace anorganického materiálu pro snímání a detekci organických molekul extrémně složitým úkolem a často je založen na empirických pozorováních. Očekává se, že modelové studie na různých úrovních složitosti umožní lépe pochopit roli elektrodového materiálu pro aplikace snímání.

V rámci této práci navrhujeme studovat a vyvinout elektrochemický modelový senzor založený na vrstvě oxidu ceru pro detekci běžně používaných herbicidů v zemědělství, tj. molekul glyfosátu, glufosinátu, bialafosu atd. Rozhodně je zapotřebí úsilí při vývoji citlivých a selektivních analytických metod pro implementace vhodných technologií pro on line a v reálném čase monitorování herbicidů a jejich sanace v kontaminovaných oblastech.
Podle přístupu zdola nahoru navrhujeme zkombinovat elektrochemické techniky (často používané pro vývoj snímacích systémů) spojené s technikami povrchové vědy pro hodnocení aktivity elektrod oxidu ceru oproti molekulám herbicidu. Elektrochemická měření budou prováděna s využitím metod cyklické voltametrie, chronoamperometrie a elektrochemiluminiscence ke stanovení citlivosti, detekčních limitů a linearity snímacího systému. Tato část bude provedena v úzké spolupráci s Dr. Alessandrou Zanut z Katedry Chemických Věd Univerzity v Padově, Itálie, která má rozsáhlé odborné znalosti ve výše uvedených elektrochemických technikách a jejich aplikaci ve snímacích zařízeních. Povrchová analýza elektrod technikami založenými na synchrotronovém záření (SRPES, RPES, NEXAFS atd.) bude provedena na optické dráze pro materiálový výzkum (MSB, Materials Science Beamline) synchrotronu Elettra v Terstu, Itálie. Studie bude těžit z klasického přístupu povrchové vědy, který poskytuje pohled na změny elektronické struktury povrchu, které mohou být zodpovědné za citlivost senzoru. Navíc použijeme robustní, reprodukovatelnou a cenově dostupnou techniku přípravy cerových elektrod, která již byla vyvinuta v našem oddělení pro potenciální snímací zařízení. Na základě získaných výsledků budou provedeny průzkumné experimenty, které určí, zda lze výkon senzorů (mez detekce, linearita, stabilita) zlepšit změnou morfologie oxidových filmů.

Očekává se, že tento projekt podpoří formování mladých vědců a posílí pokračující spolupráci mezi Univerzitou Karlovou a Univerzitou v Padově. Mezi univerzitami si budou vyměňovat vysoce hodnotná data a znalosti s cílem optimalizovat výsledky výzkumu a dosáhnout důležitých milníků v používání filmů oxidu ceru pro snímání a zelené technologie.

Literatura

1. Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy, D. Briggs, J. T. Grant, IMPublications, Chichester, UK and SurfaceSpectra, Manchester, UK, 2003, ISBN: 1‐901019‐04‐7.
2. Catalysis by Ceria and Related Materials, A. Trovarelli, Imperial College Press, London, UK, 2002, ISBN: 978-1-86094-299-0.
3. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd Edition, by A. J. Bard, L. R. Faulkner, H. S. White, Willey, 2022, ISBN-13: 978-1119334064