doc. Ing. Zdeněk Sofer, Ph.D.

Držitel Neuron Impulsu 2016

Auta poháněná vodíkem dostávají od ekologů jedničku. Z výfuků odkapává jenom voda. Ovšem výroba tohoto plynu rozkladem vody je velmi drahá, protože se musí používat zlato, iridium nebo platina. Chemik Zdeněk Sofer a jeho tým vyvíjí materiál, který by mohl přípravu vodíku podstatně zlevnit. Na svůj projekt nyní dostal Neuron Impuls ve výši jeden milion korun.

Co je cílem vašeho projektu?
Chceme dvourozměrný materiál, například grafen nebo sulfid molybdeničitý, pospojovat do třírozměrných struktur. Mohly by se využívat k výrobě vodíku pomocí elektrolýzy, kde námi studované materiály fungují jako elektrochemické katalyzátory.

Slovem materiál se běžně rozumí něco třírozměrného, proč jím tedy říkáte dvourozměrné?
Protože materiály, o kterých mluvíme, tvoří pouze jedna vrstva atomů. Takovým nejtypičtějším zástupcem je grafen, jehož struktura je odvozená od grafitu, který tvoří základ třeba obyčejné tužky. Grafit má vrstevnatou strukturu, kde jsou jednotlivé atomy uhlíku ve vrstvách vázány velice pevně a tyto vrstvy drží pohromadě pouze velice slabé sily, proto můžeme tužkou psát.

V žádosti o příspěvek od Nadačního fondu Neuron uvádíte, že tzv. vrstevnaté dichalkogenidy přechodných kovů mají mnohem výhodnější vlastnosti než grafen. V čem je jejich přednost?
Při elektrolytické výrobě vodíku je důležité, aby se tento prvek na elektrody dobře vázal a zároveň z nich stejně snadno v podobě bublinek plynu odstupoval. Tuto podmínku optimálně splňují platinové kovy například platina, iridium nebo paladium. Ty jsou velmi drahé. Cena jednoho gramu často přesahuje tisíc korun. Díky našemu vývoji by se dala platina nahradit dichalkogenidy přechodných kovů. Když se zvládne výroba takovýchto katalyzátorů, bude stát jeden gram pár korun.

Nestoupne jejich cena kvůli vývoji? Ten bude přece stát nějaké peníze.
Pracujeme s kovy jako je molybden, wolfram nebo vanad, kterých je relativní dostatek a zcela běžně se jich tisíce tun používá v průmyslu. Ovšem platinové kovy jako iridium, platina a paladium jsou extrémně vzácné a jejich zásoby jsou omezené.

Z čeho jsou vrstevnaté dichalkogenidy přechodných kovů?
Jde o sloučeniny síry, selenu a teluru, které patří do skupiny chalkogenů, s přechodnými kovy jako např. Výše zmíněný molybden a wolfram, kde na jeden atom kovu připadají dva atomy chalkogenu. Tyto materiály mají podobnou vrstevnatou strukturu, jako například již zmíněný grafit.

Jak jste se dostal k tématu trojrozměrných struktur?
Nejprve jsme se zabývali grafenem, poté jsme přešli na další dvourozměrné materiály a pak nás napadlo sestavit z nich nějaké vyšší složitější struktury, které by mohly vykazovat další funkční vlastnosti.

Nabízí se široké pole pro objev nových materiálů?
Výzkum začal zhruba před rokem. Dobře prozkoumáno je pouze několik materiálů, ale zhruba 45 jich je z hlediska elektrochemických vlastností a možností chemických modifikací téměř neprobádaných.

Jak proces přeměny dvourozměrného na třírozměrný materiál probíhá?
Řešíme několik přístupů. Dva typy dvourozměrných materiálu provazujeme chemickými vazbami. Jeden slouží jako skelet, na který nanášíme druhý materiál chemickými a elektrochemickými postupy.

Postup je ve fázi poloprovozu?
Jsme zaměřeni na základní výzkum, takže jsme ve fázi základního laboratorního výzkumu.

Využíváte při vývoji matematické modelování?
Zpětně se snažíme vysvětlit pozorované vlastnosti, například pomocí kvantově mechanických výpočtů elektronové struktury studovaných materiálů. Použití těchto teoretických metod nám také pomáhá určit jakým směrem vývoj dále zaměřit. Termodynamické modelování zase umožňuje efektivně navrhovat podmínky přípravy našich materiálů a optimalizovat je vzhledem k požadovaným vlastnostem.

Takže si řeknete, chci vyrobit materiál s konkrétními vlastnostmi a přidáváním různých látek k němu dospějete?
Tak jednoduché to není. Spíše vycházíme z materiálů se známými vlastnostmi a zjišťujeme jak je dále ovlivnit a zlepšit jejich vlastnosti například dopováním nebo změnou struktury a složení. Dichalkogenidy přechodných kovů mají mnoho strukturních modifikací, jež se mohou zásadním způsobem lišit ve svých vlastnostech. Typickým příkladem vlivu struktury na vlastnosti materiálu téhož složení je diamant a grafit. Oba jsou z uhlíku, ale každý má odlišnou strukturu a tím i zásadně odlišné vlastnosti.

Existuje mezioborová spolupráce?
V rámci našeho výzkumu studujeme mnoho dalších unikátních vlastností například z hlediska magnetizmu, elektrických vlastností nebo i antimikrobiálních účinků. Máme mnoho interdisciplinárních projektů a náš výzkum se tím pádem prolíná s mnoha fyzikálními ale třeba i biochemickými a mikrobiologickými pracovišti. Průnik několika přímo nesouvisejících oborů výzkumu často přináší nové nečekané objevy.

Text: Josef Matyáš

doc. Ing. Zdeněk Sofer, Ph.D.

Docent Sofer (*1981) absolvoval Vysokou školu chemicko-technologickou v Praze, na své alma mater získal titul Ph.D. a v roce 2013 se habilitoval na docenta. V letech 2000 až 2002 působil jako technický pracovník ve Fyzikálním ústavu Akademie věd ČR, pozici asistenta, později odborného asistenta zastával mezi roky 20007 až 2012 v Ústavu anorganické chemie na VŠCHT. Od roku 2013 působí v tomto ústavu jako docent. Absolvoval zahraniční praxi v Peter Grünberg Institutu a Universität Duisburg-Essen v Německu. Mezi jeho výzkumné aktivity mj. patří charakterizace uhlíkových nanomateriálů, chemie grafenu a uhlíkových nanomateriálů a jejich chemické modifikace. Zabývá se rovněž elektrochemickými aplikacemi vrstevnatých nanomateriálů.