Master's Thesis

The utilisation of flavin derivatives in hybrid photocatalytic systems

Final Thesis 2.39 MB

Author of thesis: Bc. Simona Bobošíková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Truksa, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Jan Richtár, Ph.D.

Abstract:

This work focuses on the design, synthesis, and application of new nature-inspired lumazine photosensitizers for photocatalytic hydrogen evolution. The design strategy was based on flavin-inspired structures, known for their ability to mediate electron transfer in biological systems. Quantum-chemical calculations using the TD-DFT method were used to predict electronic properties and to guide the design of suitable molecular structures. Based on these results, three lumazine derivatives were synthesized in high yields, and their structures were confirmed by NMR and FTIR-ATR spectroscopy. Their photocatalytic activity was subsequently tested in a system containing a photosensitizer, the co-catalyst H2PtCl6, and a THF/water/TEA mixture, while monitoring the hydrogen evolution half-reaction. The results showed that extending the π-conjugated system leads to improved photostability and enhanced photocatalytic activity of the photosensitizers, thereby confirming the proposed hypothesis. The compound with the longest thiophene chain exhibited the highest activity and also demonstrated increased resistance to photodegradation. The obtained results highlight the potential of lumazine derivatives as promising organic photosensitizers for applications in photocatalytic water splitting.

Keywords:

lumazines, organic photosensitizers, photocatalysis, hydrogen evolution reaction, π-conjugation, DFT calculations

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba proběhla podle následujícího schématu: prezentace studentky-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Studentka přednesla výborný výtah výsledků své diplomové práce, řádně zodpověděla všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagovala na připomínky. V diskusi tak studentka prokázala výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky diplomové práce. Komise zhodnotila její diplomovou práci celkově jako výbornou. Pekař: Čím se na vzorky svítilo při fotokatalytických experimentech? Kde vzorky absorbovaly? Co znamená energie -4,03 eV u systému 2H+/H2? Kozáková: Pozorovala se změna teploty během měření? Vala: Pro jaké prostředí byly dělány kvantové výpočty? Jaké hodnoty výtěžků by bylo vhodné dosáhnout? Jaké je srovnání Vašich systémů s již publikovanými výsledky? Byly koncentrace vzorků stejné? Jakou minimální energii by měly mít HOMO/LUMO hladiny, aby došlo k redukci vodíku?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Chemical Technologies (NPCP_CHCHTE)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Viera Jančovičová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Michal Veselý, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Marián Lehocký, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Martin Vala, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Truksa, Ph.D.

Studentka Bc. Simona Bobošíková vypracovala diplomovou práci na téma syntézy a aplikace derivátů flavinu v hybridních fotokatalytických systémech, které mohou v současnosti najít využití při ekologicky šetrné výrobě vodíku jako paliva případně chemického reagentu.
Prvním cílem práce bylo provedení literární rešerše, shrnující principy fotokatalýzy, v současnosti používané materiály a možnosti zapojení flavinových derivátů. Problematika byla v práci popsána výstižně s využitím velkého množství odkazů na aktuální odbornou literaturu a teoretická část práce poskytuje dobré východisko pro popsané experimenty.
V navazující experimentální části je podrobně popsána teoretická predikce struktur flavinů, na jejímž základě byly vybrány látky pro syntézu, samotná syntéza vybraných flavinových derivátů, jejich purifikace a metodologie experimentů pro ověření fotokatalytické aktivity.
Následně jsou v práci podrobně rozebrány výsledky syntézy i fotokatalytických experimentů, kdy se podařilo aktivitu prokázat u všech připravených látek. V práci jsou rovněž ověřeny teoretické predikce pomocí experimentálních výsledků, což v budoucnosti povede ke zpřesnění predikčního modelu.
Použité systémy jsou zhodnoceny z hlediska množství vyvinutého vodíku za definovaný reakční čas, přičemž systémy vykazují dostatečnou stabilitu, aby mohly být podrobeny experimentům opakovaně v časovém horizontu několika hodin, a to i při intenzitě osvitu srovnatelné s moderními fotokatalytickými systémy popsanými v literatuře.
Tato diplomová práce je zpracována srozumitelně, přehledně, s minimem překlepů a formálních chyb, kdy autorka prokázala schopnost dobře pracovat s odbornou literaturou, samostatně provádět syntézy i měření a podat o nich srozumitelnou správu. Mimo to prokázala velkou samostatnost a pečlivost během stáže na TUW ve Vídni, kde prováděla ověření fotokatalytické aktivity – tím přispěla k budování mezinárodních kontaktů FCh, za což byla odměněna i cenou děkana za rok 2025. Vzhledem k výše zmíněným kvalitám diplomové práce ji doporučuji k obhajobě a na základě její úrovně navrhuji hodnocení A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Jan Richtár, Ph.D.

Předkládaná diplomová práce se zabývá aktuálním a perspektivním tématem využití flavinových derivátů v hybridních fotokatalytických systémech. Autorka jednak pojednává o současném stavu řešené problematiky, rovněž popisuje teoretickou studii navrhovaných struktur pomocí DFT, jejich praktickou syntézu (3 finální látky a jejich prekurzory) a komplexní fotokatalytické experimenty ohodnocující finální látky ve schopnosti produkce vodíku a fotostabilitu.

Práce v rozsahu 66 stran je psána ve slovenštině a je členěna logicky a přehledně. Text práce je psán čtivě, avšak jako nerodilý mluvčí si netroufám hodnotit lingvistickou úroveň až na některé drobné chyby či překlepy („radikálový anion“ lépe jako „radikálanion“ na str. 17; špatný znak na konci věty na str. 20“ „amidy, Tieto“; „5,6-diaminouracylovým“ na str. 21 s ypsilon místo i).

Autorka čerpá z 88 zdrojů převážně primární zahraniční literatury. Teoretická část práce se v dostatečné míře zabývá úvodem k produkci vodíku, fotokatalýze, vlastnostem a struktuře lumazinů, současným trendům ve fotokatalytickém vývoji vodíku a problematice DFT). Logicky a přehledně tak uvádí následující experimentální část. Měl bych připomínku k obr. 6, který by z mého pohledu zasloužil revizi struktur nebo hlubší komentář, jelikož se nezdají být pouze produkty acidobazických reakcí, ale rovněž redoxních dějů.

Experimentální část se v reprodukovatelné formě zabývá přípravou prekurzorů a finálních látek Th1–Th3 a rovněž fotokatalytickými experimenty. K této části bych měl několik minoritních připomínek:
a)    Deuterovaná rozpouštědla mají symbol deuteria v kurzívě. Stejně jsou kurzívou psány symboly veličin, konkrétně se jedná o interakční konstantu J. K tomu se váže komentář k NMR spektrům v přílohách, která by měla nad každým signálem nést hodnotu chemického posunu.
b)    U popisu experimentů v rámci syntézy bych ocenil uvést, zda se jedná o zcela novou metodu přípravy, nebo byla adaptována z literatury s připojeným literárním odkazem.
c)    U reakcí s vodným zpracováním bych uvedl rovněž objemy činidel (při extrakci, promývání).
d)    Chemický posun v uhlíkovém spektru je dobré uvádět na jedno desetinné místo. Podobně pro charakterizaci infračervenými spektry bych alespoň ve všeobecné části uvedl veličinu a jednotku vlnočtu, která v práci není u této metody v popisu zmíněna.
e)    U přípravy sloučeniny 4 není uvedena koncentrace NaOH, dále NaNO2 u syntézy látky 5 nemá uvedeno látkové množství.

V diskuzi autorka názorně rozebírá DFT predikci UV-vis spekter derivátů Th1–Th3 a koreluje je s chemickou strukturou, dále shrnuje syntetické aspekty jednotlivých stupňů přípravy, se kterými se potýkala během své práce. Následně jsou racionálně navrženy a diskutovány provedené experimenty s využitím finálních látek ve fotokatalytickém vývoji vodíku. Zde oceňuji množství práce, které se za touto pasáží skrývá, neboť dává ucelený a komplexní obraz o potenciálu daných látek pro vývoj vodíku a rovněž metodologii, která umožňuje selektovat nejlepší podmínky racionálním způsobem. V rámci této části bych zvážil pro názornost uvést u obr. 13–15 u reakčních šipek spíše činidla a typ reakcí zmínit jen v textu. Dále u psaní lokantů N,N‘ využít kurzívu.

Závěry práce jsou formulovány jasně a logicky, autorka rovněž předesílá další postup na daném poli.
I přes uvedené menší nedostatky autorka dle mého názoru v předložené práci prokázala schopnost orientovat se, čerpat a interpretovat odborné literární zdroje v teoretické části. Dále v experimentální části a diskuzi ukázala schopnost tyto znalosti aplikovat jak v organické syntéze, tak při následující práci na fotokatalytickém vývoji vodíku na zahraničním pracovišti ve Vídni. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou A. K práci mám ještě několik otázek k následující obhajobě, které plynou z diskuze:
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Jak byla stanovena čistota finálních látek Th1-3? V experimentální části uvádíte záznam NMR spekter, avšak data především z 1H spekter by šla využít nejen pro určení struktury, ale rovněž k okomentování čistoty látek v diskuzi. V práci rovněž nejsou uvedeny hodnoty např. Rf z TLC s metodou vizualizace, které alespoň kvalitativně čistotu mohou do jisté míry popsat.
  2. Nabízí se nějaké vysvětlení, které by objasnilo snížení rychlosti HER při zvýšení koncentrace Pt z 0,05 mM na 0,10 mM (obr. 17)?
  3. Může menší produkce vodíku pozorovaná u Th3 ve srovnání s Th2 souviset rovněž s pravděpodobností přechodu do základního stavu nezářivým přechodem vibrační relaxací? Z naznačených vyobrazení HOMO a LUMO orbitalů obou molekul by bylo zajímavé v další práci vyčíslit torzní úhly mezi thiofenovými motivy a lumazinovým jádrem, neboť se jedná o molekulu s elektronově bohatším a deficitnějším koncem, což může vést k dodatečné planarizaci systému.
  4. Kvantifikovala jste množství Th3 před a po recyklaci (viz obr. 24)?
  5. V diskuzi (kap. 5.1 Teoretická predikce) rozebíráte DFT predikci UV-vis spekter derivátů Th1–Th3 a korelujete je s chemickou strukturou. V této souvislosti se chci zeptat, zda jste prováděla veškeré výpočty a interpretaci samostatně?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová