Increasing of photocatalytic efficiency by dissociation of excitons in graphene-silicate nanostructures

Disertační práce se zabývá studiem elektrochemických vlastností grafenu a jeho vlivu na průběh fotokatalytických reakcí. Pozornost je směrována především na delokalizaci elektronu z fotokatalyzátoru na grafenové vrstvě. Teoretickou část tvoří úvod do pevných látek, kde je dán důraz na elektronovou strukturu polovodičů a je zde velmi podrobně rozebrána krystalová a elektronová struktura grafenu. V experimentální části je představena patentovaná metoda řízeného vakuového vymrazování, kterou používáme k výrobě neaglomerovaných nanostruktur s vysokým sorpčním povrchem. Dále je představen nový experimentální reaktor, který nám umožňuje kontinuálně měřit průběh fotokatalytické reakce in situ, aniž bychom do systému museli zasahovat odebíráním vzorků. K charakterizaci připravených materiálů byly použity tyto metody: UV-Vis spektroskopie, fotoluminiscenční spektroskopie, skenovací a transmisní elektronová mikroskopie, dynamický rozptyl světla, energiově-disperzní rentgenová analýza a specifický povrch byl stanoven prostřednictvím fyzisorpce dusíku při 77 K. Na základě charakterizací byly zjištěné fyzikálně-chemické vlastnosti katalyzátorů korelovány s jejich fotokatalytickou aktivitou. Připravené fotokatalyzátory byly testovány ve vodném roztoku vsádkového reaktoru vlastní konstrukce degradací methylenové modře (MB) za přítomnosti UVA záření s emisním maximem okolo 365 nm (3,4 eV) a byly porovnané s fotokatalytickým standardem TiO2 P25 Degussa. V rámci experimentu byla nejdříve vyzkoušena syntéza fotokatalytických silikátových nanočástic s použitím sodného vodního skla a octanu zinečnatého (dihydrátu). Výsledné nanočástice ZnO·mSiO2 (kde m je modul vodního skla 3,1) byly při rozkladu MB účinnější než TiO2, čímž byla ověřena jejich funkčnost. Přistoupilo se tedy k testování přídavku grafenu do fotokatalytické struktury a následně k optimalizaci jeho koncentrace. Grafen pro experiment byl z přírodního grafitu exfoliován sonifikací při hustotě příkonu 1 kW/l. Poté proběhly předběžné testy syntézy silikátového materiálu s přídavkem grafenu a výsledkem byl materiál s 8,5 hm% grafenu, který byl o 5 % horší při degradaci plynného N2O (první ověření účinnosti našich fotokatalyzátorů na rozklad plynného simulantu) oproti TiO2, nicméně si zase vedl téměř 3x lépe rozkladu MB. Dalším materiálem byla fotokatalytická sorpční tkanina s 5 hm% grafenových částic, jejíž fotokatalytická účinnost při rozkladu MB byla 5x vyšší, než u standardu TiO2. Na základě rešerší a předběžných testů byly pro sledování vlivu množství grafenu ve fotokatalytických silikátových strukturách zvoleny koncentrace 0; 0,25; 0,5 a 1 hm% grafenu. Z průběhu úbytku koncentrace MB byly vypočteny reakční rychlostní konstanty. Nejlepší fotokatalytickou účinnost vykazoval vzorek s 0,5 hm% grafenu, který byl s rychlostní konstantou (11,1·10-3 s-1) 3,4x efektivnější než čistá silikátová struktura (3,3·10-3 s-1) a téměř 10x efektivnější než TiO2 P25 Degussa (1,2·10-3 s-1). Na základě změn hodnot rychlostních konstant vzhledem k obsahu grafenu v silikátových strukturách jsme určili optimální koncentraci grafenu mezi 0,5 a 1 hm%. U jednotlivých vzorků byla změřena i fotoluminiscenční odezva a specifický povrch. Přítomnost jediného píku na excitačním spektru v 380 nm ukázalo na čisté fyzikální spojení grafenu se strukturou ZnO·mSiO2 bez dalších vazeb. Intenzita fotoluminiscence ani velikost specifického povrchu pak viditelně nekorelovala s fotokatalytickou účinností.This dissertation thesis studies electrochemical properties of graphene and its influence on the process of photocatalytic reactions. The focus is primary at delocalization of electron, coming from photocatalyst, on graphene layer. The theoretical part consists of introduction at solid state physics, where the electron structure of semiconductors crystal and the electron structure of graphene are explained in detail. At the experimental part there is presented a patented method of conducted vacuum sublimation, which we use to synthesis of non aglomerated nanostructures with high specific surface area. The next is presented a new experimental reactor, which allows us to measure in situ the progress of photocatalytic reaction, so we do not have to interact with the system by sample extraction. Those methods had been used for material characterization: UV-Vis spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy, DLS, EDX and the specific surface. Established physical and chemical properties were then compared to the photocatalytic activity of materials. Prepared photocatalysts were tested in a reactor of own construction by degradation of methylene blue (MB) in water dispersion in the presence of UVA radiation with maximum emissivity at 365 nm (3,4 eV) and they were compared to standard TiO2 P25 Degussa. There was first tried the synthesis of photocatalytic silicate nanoparticles using sodium water glass and zinc acetate (dihydrate). Resulting nanoparticles ZnO-mSiO2 (where m is the module of water glass 3,1) were more efficient in degradation than TiO2, which confirmed their photocatalytic activity. So the addition of graphene to the photocatalytic structue was then investigated and so the graphene's optimal concentration in the next step. Graphene for the experiment was exfoliated from natural graphite by sonification at power density of 1 kW/l. Then there were preliminary tests of synthesis of silicate structure with graphene and the result was material with 8,5 wt% of graphene. The material was 5 % worse at degradation of N2O gas than TiO2, but it was 3 times better at MB degradation. The next material was photocatalytic sorption fabric with 5 wt% of graphene, which was 5 times more photoactive at MB degradation than TiO2. For the observation of influence of graphene presence in photocatalytic silicate structures on their photocatalytic activity, there were chosen concentrations of 0; 0,25; 0,5 a 1 wt% of graphene. From the decay of MB concentraion there were calculated reaction kinetic constants for each material. The best photocatalytic material was specimen with 0,5 wt% of graphene, which was with its kinetic constant of 11,1·10-3 s-1 3,4 times more effective than the pure silicate structure (3,3·10-3 s-1) and more than 10 times more effective than TiO2 P25 Degussa (1,2·10-3 s-1). Looking at the trend of values of kinetics constants with respect to graphene amount, we predicted the optimal graphene concentration to be between 0,5 a 1 wt%. There were also measured photoluminescence response and specific surface area for each specimen. The presence of only one peak with maximum at 380 nm of photoluminescence spectra indicates pure physical connection of graphene with the ZnO-mSiO2 without additional chemicals bonds. The luminescence intensity and the specific surface area then showed no direct correlation with the photocatalytic activity of specimens.9360 - Centrum nanotechnologiívyhově

Spiral conveyor

Obsahem této bakalářské práce je návrh konstrukčního řešení spirálního šnekového dopravníku sloužícího pro dopravu pšenice ze zásobníku do mlecího zařízení. V úvodu je popsána teoretická část šnekových dopravníků, spirálních šnekových dopravníků a dopravovaných materiálů. Dále následuje konstrukční řešení a výpočet důležitých částí dopravníku.The aim of this bachelor thesis is a proposal construction of the spiral conveyor serving to the transport wheat from the container to the grinding equipment. The introduction describes the theoretical part of the screw conveyors, spiral conveyors and transported materials. This is followed by construction solution and calculation of the most important parts of the conveyor.

Detached house with a design office

Předmětem mé bakalářské práce je návrh novostavby rodinného domu s provozovnou na úrovni dokumentace pro provedení stavby. Objekt je částečně podsklepený, s dvěma nadzemními podlažími, zastřešen plochou střechou. Konstrukční systém podsklepené části tvoří ztracené bednění a nadzemní část tvoří rámová dřevostavba. Návrh domu respektuje územní plán města Příbor a stávající uliční zástavbu. Dále klade důraz na dispoziční řešení včetně zajištění konstrukce po stránce statické, architektonické, úspory energie a bezpečnosti při užívání objektu.The aim of my bachelor thesis is a project of a new detached house with a shop at a level of the documentation for the structure realization. The building is partly basement with two above-ground floor and a flat roof. The structural system of the basement part is made up of permanent shuttering and the above-ground part is made up of timber frame. The project of the building is in accordance with the development plan of Příbor and with the current street built. The work puts great emphasis on layout including security of the construction in terms of statics, architecture, energy savings and safety at utilizing the structure.

Apartment building on a sloped site

Předmětem mé diplomové práce je návrh novostavby bytového domu ve svahu na úrovni dokumentace pro provedení stavby. Objekt je částečně podsklepený, s čtyřmi nadzemními podlažími. Jednotlivé podlaží vzestupně ustupují a jsou zastřešeny plochými střechami. Konstrukční systém podsklepené části tvoří ztracené bednění a nadzemní část tvoří stěnová dřevostavba z křížem lepených panelů KLH. Návrh bytového domu respektuje územní plán města Kopřivnice a stávající uliční zástavbu. Dále klade důraz na dispoziční řešení včetně zajištění konstrukce po stránce statické, architektonické, úspory energie a bezpečnosti při užívání objektu.The aim of my master's thesis is a project of a new apartment building on a sloped site at a level of the documentation for the structure realization. The building is partly basement with four above-ground floor. Individual floors up recede and are roofed with flat roofs. The structural system of the basement part is made up of permanent shuttering and the above-ground part is made up wall of cross laminated timber construction panels KLH. The project of the building is in accordance with the development plan of Kopřivnice and with the current street built. The work puts great emphasis on layout including security of the construction in terms of statics, architecture, energy savings and safety at utilizing the structure.

Brominated and iodinated disinfection by-products

The reaction of a disinfectant with natural organic matter in the presence of bromides and iodides in raw water intended as a source of drinking water produces brominated (Br-DBPs) and iodinated disinfection by-products (I-DBPs) of water. These tend to be more cytotoxic and genotoxic than their chlorinated analogues. However, little information is available on these products compared to chlorinated ones. Therefore, the aim of this work was to provide an overview of natural and anthropogenic sources of bromine and iodine containing substances, to determine their influence on the formation of brominated and iodinated disinfection by-products, and to compare their cytotoxicity and genotoxicity with chlorinated products. Increasing seawater intrusion into the groundwater drinking water source was found to increase the concentrations of Br-DBPs and I-DBPs by up to thousands of percent. A number of substances can be released from water pipe material depending on the material. These include, for example, tenorite and copper cation released from copper piping, iron cation released from cast iron and steel piping, and bromides and dissolved organic carbon (DOC) released from plastic piping. All of these corrosion products contribute to increasing concentrations of DBPs in the distribution network. Both seawater and...Reakcí dezinfekčního činidla s přírodními organickými látkami v přítomnosti bromidů a jodidů v surové vodě určené jako zdroj vody pitné vznikají bromované (Br-DBPs) a jodované vedlejší produkty dezinfekce (I-DBPs) vody. Ty bývají více cytotoxické a genotoxické než jejich chlorované analogy. Dostupných informací o těchto produktech je však v porovnání s těmi chlorovanými málo. Cílem této práce proto bylo poskytnout přehled o přírodních a antropogenních zdrojích látek obsahujících brom a jód, určit jejich vliv na vznik bromovaných a jodovaných vedlejších produktů dezinfekce a srovnat jejich cytotoxicitu a genotoxicitu s chlorovanými produkty. Bylo zjištěno, že zvyšující se intruze mořské vody do podzemního zdroje vody pitné zvyšuje koncentrace Br-DBPs a I-DBPs až v řádu tisíců procent. Z materiálu vodovodního potrubí se může uvolňovat řada látek v závislosti na daném materiálu. Mezi tyto látky patří např. tenorit a měďnatý kation uvolňované z měděného potrubí, železitý kation uvolněný z litinového a ocelového potrubí a bromidy a rozpuštěný organický uhlík (DOC), které se uvolňují z plastového potrubí. Všechny tyto korozní produkty přispívají k navyšování koncentrací DBPs v rozvodné síti. Mořská voda i vodovodní potrubí přímo ovlivňují pitnou vodu. Existuje však řada antropogenních zdrojů látek obsahujících...Institute for Environmental StudiesÚstav pro životní prostředíFaculty of SciencePřírodovědecká fakult

Preparation and characterization of photocatalytic sorptive nanostructures

Import 23/07/2015Práce se zabývá výrobou fotokatalytických sorpčních nanostruktur na bázi ZnO a SiO2, kdy je fotokatalytický ZnO umístěn do síťové struktury SiO2. Teoretickou část tvoří úvod do problematiky pevných látek, zejména pak polovodičů, které se převážně využívají jako fotokatalyzátory. Diskutované jsou také polovodičové heterostruktury, které rozšiřují možnosti fotokatalytických materiálů jak v oblasti materiálových vlastností, tak v účinnosti fotokatalýzy. Teoretická část je uzavřena výrobou a metodami charakterizace nanočástic a nanostruktur. V praktické části se věnuji přípravě fotoaktivní nanostruktury ZnO(SiO2)ZnO a její charakterizaci v oblasti strukturní, materiálové a optické. Pro měření fotokatalytické účinnosti byl sestaven průtočný reaktor, který měří fotokatalytickou degradaci methylenové modře v reálném čase. Byla změřena fotodegradace samotné methylenové modře, fotodegradace methylenové modře s TiO2 evan. a fotodegradace methylenové modře s nanostrukturou ZnO(SiO2)ZnO. Jako poslední je zmíněna problematika fotokoroze.The aim of this work is creation of photocatalysis sorptive nanostructures on ZnO and SiO2 base. Photocatalytic active ZnO is placed to SiO2 silikagel net. The teoretical part consists of an introduction to solid state physics, where we especially discuss semiconductors as the main photoacatalysis active material. We also consider semiconductor heterostructures, which can deeply extend photocatalytic efficiency of materials. The teoretical part is finished by fabrication of nanoparticles and by nanoparticles and nanostructures characterization methods. The experimental part contains the creation and characterization of ZnO(SiO2) ZnO nanostructure including structural, material and optical characteristics. We built photocatalytic flow reactor for measuring photocatalytic degradation of methylene blue in real time. We measured photodegradation of methylene blue itself, photodegradation of methylene blue with TiO2 evan. and photodegradation of methylene blue with ZnO(SiO2)ZnO nanostructure. We also discuss photocorosis problematics at the end.9360 - Centrum nanotechnologiívýborn

Computational Design of Stable and Soluble Biocatalysts

Natural enzymes are delicate biomolecules possessing only marginal thermodynamic stability. Poorly stable, misfolded, and aggregated proteins lead to huge economic losses in the biotechnology and biopharmaceutical industries. Consequently, there is a need to design optimized protein sequences that maximize stability, solubility, and activity over a wide range of temperatures and pH values in buffers of different composition and in the presence of organic cosolvents. This has created great interest in using computational methods to enhance biocatalysts' robustness and solubility. Suitable methods include (i) energy calculations, (ii) machine learning, (iii) phylogenetic analyses, and (iv) combinations of these approaches. We have witnessed impressive progress in the design of stable enzymes over the last two decades, but predictions of protein solubility and expressibility are scarce. Stabilizing mutations can be predicted accurately using available force fields, and the number of sequences available for phylogenetic analyses is growing. In addition, complex computational workflows are being implemented in intuitive web tools, enhancing the quality of protein stability predictions. Conversely, solubility predictors are limited by the lack of robust and balanced experimental data, an inadequate understanding of fundamental principles of protein aggregation, and a dearth of structural information on folding intermediates. Here we summarize recent progress in the development of computational tools for predicting protein stability and solubility, critically assess their strengths and weaknesses, and identify apparent gaps in data and knowledge. We also present perspectives on the computational design of stable and soluble biocatalysts

SoluProt: prediction of soluble protein expression in Escherichia coli

Motivation: Poor protein solubility hinders the production of many therapeutic and industrially useful proteins. Experimental efforts to increase solubility are plagued by low success rates and often reduce biological activity. Computational prediction of protein expressibility and solubility in Escherichia coli using only sequence information could reduce the cost of experimental studies by enabling prioritization of highly soluble proteins. Results: A new tool for sequence-based prediction of soluble protein expression in E.coli, SoluProt, was created using the gradient boosting machine technique with the TargetTrack database as a training set. When evaluated against a balanced independent test set derived from the NESG database, SoluProt's accuracy of 58.5% and AUC of 0.62 exceeded those of a suite of alternative solubility prediction tools. There is also evidence that it could significantly increase the success rate of experimental protein studies

EnzymeMiner: automated mining of soluble enzymes with diverse structures, catalytic properties and stabilities

Millions of protein sequences are being discovered at an incredible pace, representing an inexhaustible source of biocatalysts. Despite genomic databases growing exponentially, classical biochemical characterization techniques are time-demanding, cost-ineffective and low-throughput. Therefore, computational methods are being developed to explore the unmapped sequence space efficiently. Selection of putative enzymes for biochemical characterization based on rational and robust analysis of all available sequences remains an unsolved problem. To address this challenge, we have developed EnzymeMiner-a web server for automated screening and annotation of diverse family members that enables selection of hits for wet-lab experiments. EnzymeMiner prioritizes sequences that are more likely to preserve the catalytic activity and are heterologously expressible in a soluble form in Escherichia coli. The solubility prediction employs the in-house SoluProt predictor developed using machine learning. EnzymeMiner reduces the time devoted to data gathering, multi-step analysis, sequence prioritization and selection from days to hours. The successful use case for the haloalkane dehalogenase family is described in a comprehensive tutorial available on the EnzymeMiner web page