Bachelor's Thesis

Development of a method for photocatalytic water splitting

Final Thesis 2.41 MB

Author of thesis: Bc. Patrik Kavuľa

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: RNDr. Veronika Ostatná, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Jan Richtár, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the development and optimalization of an electrochemical method utilizing the perovskite material MAPbBr3 for the detection of hydrogen produced during photocatalytic water splitting. The theoretical section addresses the principles of water photocatalysis, the mechanisms of hydrogen evolution, and the properties of halide perovskites, which are promising materials for modern energy applications. Particular attention is paid to the stability of halide perovskites in non-aqueous media and the factors influencing their electrochemical behavior. The experimental section is aimed at the preparation and characterization of modified electrodes based MAPbBr3 applied onto an ITO substrate and in the form of compact pellet. The electrochemical properties of the prepared samples were analyzed using cyclic voltammetry in non- aqueous medium to monitor the effect of sample structure on the sensitivity, stability and reproducibility of analytical response, followed by assessing the suitability of the prepared electrodes for analytical applications. The results demonstrate that the electrodes in the form of a compact pellet exhibited a higher current response and better electrochemical stability in a non-aqueous medium compared to the layer on the ITO substrate. Research on this perovskite material for electrochemical hydrogen detection thus confirms the potential of perovskites for applications in the field of modern energy technologies.

Keywords:

Photocatalytic water splitting, hydrogen, perovskites, MAPbBr3, electrochemical detection, cyclic voltammetry, ITO, electrode, non-aqueous environment

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student v rámci obhajoby bakalářské práce prezentoval náplň, získané výsledky a závěry práce. Dále byly přečteny posudky vedoucí a oponenta a byly zodpovězeny otázky oponenta. V následné diskusi byly položeny dotazy: doc. Mgr. R. Komendová, Ph.D. – Kolikrát byla provedena analýza peletky? Student odpověděl na doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuze k dané problematice vzneseny. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Student prokázal orientaci v dané problematice, i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Applied Analytical, Environmental and Forensic Chemistry (BPCP_AAEFCH)

Composition of Committee

doc. MVDr. Helena Zlámalová Gargošová, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Renata Komendová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Michaela Vašinová Galiová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jitka Malá, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
RNDr. Veronika Ostatná, Ph.D.

Bakalářská práce Patrika Kavuľy se zabývá problematikou vývoje elektrochemické metody pro detekci vodíku produkovaného při fotokatalytickém štěpení vody s využitím perovskitového materiálu MAPbBr3. Téma práce považuji za přínosné jak z hlediska analytické chemie, tak i z pohledu současného výzkumu materiálů pro energetické aplikace. Student při řešení práce prokázal schopnost nastudovat odbornou literaturu a získané poznatky vhodně zpracovat, místy však poněkud rozsáhleji, než bylo nezbytné. V experimentální části se student podílel na přípravě a optimalizaci pracovních elektrod modifikovaných perovskity, jakož i na jejich charakterizaci a testování odezvy na přítomnost vodíku. Student prováděl experimenty pečlivě, o dané téma se aktivně zajímal a průběžně konzultoval dosažené výsledky. V průběhu řešení prokázal dobrou laboratorní zručnost, odpovědný přístup k práci a schopnost reagovat na dílčí komplikace, které se během experimentů objevily. Přestože některé výsledky nebyly zcela jednoznačné a práce vykazuje určité metodické i interpretační limity dané náročností řešeného tématu i rozsahem bakalářské práce, student splnil stanovené cíle v odpovídající míře.
Text práce je zpracován přehledně a v logické struktuře, obsahuje odpovídající členění na teoretickou a experimentální část a je doplněn o obrazovou i grafickou dokumentaci. Práce nicméně obsahuje místy jazykové a formulační nepřesnosti, které jen nepatrně snižují její celkovou formální úroveň. Tyto nedostatky však nepřevažují nad odborným přínosem práce a nebrání porozumění dosaženým výsledkům. Celkově hodnotím přístup studenta k řešení bakalářské práce jako svědomitý a systematický.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results B
Interpretation and Discussion of the Results A
Conclusions and Their Formulation B
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks B
Fulfilment of the Assignment Requirements B
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A

Grade proposed by supervisor: B

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

Bakalářská práce se zabývá aktuálním a prakticky relevantním tématem vývoje a optimalizace elektrochemické metodiky pro detekci plynného vodíku s využitím perovskitového materiálu MAPbBr3. Téma dobře zapadá do současného výzkumu zaměřeného na produkci a detekci vodíku, fotokatalytické štěpení vody a využití halogenidových perovskitů v energetických aplikacích. Autor v práci propojuje rešeršní část věnovanou vodíku, fotokatalýze, perovskitům a elektrochemickým metodám s experimentálním návrhem vlastní elektrochemické cely, přípravou modifikovaných ITO elektrod a měřením odezvy perovskitových vzorků v nevodném prostředí.
Práce v rozsahu 66 stran je psána ve slovenském jazyce a je členěna standardním způsobem na teoretickou, experimentální a výsledkovou část. Za slabší stránku považuji nevyváženost jednotlivých částí: teoretická část je velmi rozsáhlá a místy má charakter obecného přehledu o vodíku, fotokatalýze a materiálových výzvách, zatímco experimentální výsledky a jejich kritická interpretace jsou relativně stručnější. V textu by bylo vhodné více zdůraznit přímou vazbu mezi literární rešerší a vlastním experimentálním problémem, tedy stabilitou MAPbBr3 v nevodném elektrolytu a možností elektrochemické detekce H2. Po jazykové stránce je práce srozumitelná, avšak obsahuje množství pravopisných, stylistických a terminologických nepřesností. Zde bych jako příklad uvedl pojem „optimalization“ v abstraktu namísto „optimization“, v textu často využívané spojení „nábojové nosiče“ namísto „nosiče náboje“, poměrně obecné spojení „komplexní heterostruktury“ bez bližší definice (str. 11), termín „poloviční reakce“ místo „poloreakce“ (str. 14), pojem „elektron-děrový pár“ na více místech textu, pojem „reakční molekuly“ na str. 30, spojení „oktaedr aniontů“ na str. 20 či „nanoskopická úroveň“ na str. 17, slangový pojem „Eppendorfka“ na str. 37, spojení „potenciální úroveň“ místo „úroveň potenciálu“ na str. 25. V textu je rovněž často chybně zapsaná diakritika mezi jednotlivými větami (souvětími), což snižuje dojem při čtení textu.
Autor čerpá z 51 literárních zdrojů, převážně z velmi aktuálních odborných článků a přehledových prací. Výběr literatury ukazuje snahu zasadit práci do současného výzkumného kontextu. Pozitivně hodnotím, že teoretická část práce zahrnuje jak zdroje k fotokatalytickému štěpení vody, tak k perovskitům a elektrochemické detekci vodíku. Na druhou stranu je využití literatury místy spíše kompilativní a některé pasáže by zasloužily větší kritičnost a užší zaměření na konkrétní experimentální otázku. V literární rešerši bych ocenil nějakou formu sumarizace nejvíce slibných foto(elektro)katalytických materiálů, které se využívají pro vývoj vodíku spolu s parametry jejich výkonu. Autor se v práci potýká s nestabilitou perovskitů ve vodném prostředí, avšak řešením různými přístupy je věnována dle mého názoru pouze malá část. Pozornost bych příště věnoval důslednější revizi obrázků, či schémat, které byly generovány s využitím AI, což autor správně na daných místech cituje. Doporučuji revidovat obr. 2 v části oxidace, kde obě uvedené rovnice neodpovídají oxidačnímu ději. Podobně rovněž na obr. 4 bych ověřil vyobrazení elektronů a děr na schématu solárního článku.
Experimentální část popisuje použité chemikálie, vybavení, konstrukci elektrochemické cely, přípravu ITO substrátů, přípravu elektrolytu a protokol cyklické voltametrie. Oceňuji praktickou stránku práce, práci s nevodným elektrolytem a snahu porovnat různé typy pracovních elektrod. Cenné je i to, že autor identifikoval problém heterogenity perovskitových vrstev na ITO a následně přešel k měření kompaktní perovskitové peletky. Některé části experimentálního popisu by však bylo nutné zpřesnit. Na str. 36 je v seznamu chemikálií uveden tetramethylamonium hexafluorofosfát, zatímco v textu práce se dále pracuje s TBAHFP a s molární hmotností odpovídající tetrabutylamonium hexafluorfosfátu. Na str. 39–40 je vhodné sjednotit zápis jednotek, desetinných čárek a zkratky elektrolytu. Autor rovněž nikde neuvádí typ pomocné a referenční elektrody, které byly pro elektrochemické experimenty využity. V této souvislosti by bylo principiálně dobré uvádět ve voltamogramech či v popisu metody, vůči čemu jsou vztaženy hodnoty potenciálu. Dále u přípravy roztoků prekurzorů perovskitů na str. 39 autor neuvádí koncentrace či hmotnosti, což znesnadňuje možnost přípravu zopakovat.
Kapitola výsledky a diskuze nabízí relevantní zhodnocení provedených experimentů. Oceňuji, že je diskutována destrukce vrstvy v širším potenciálovém okně a že byl navržen užší interval -0,5 až 1,2 V jako vhodnější pro měření. Přínosné je i porovnání čistého ITO, vrstvy MAPbBr3 na ITO a kompaktní peletky. Interpretace výsledků je však místy nekonzistentní, kdy se na str. 50 správně uvádí, že vrstva MAPbBr3 na ITO má nejvyšší analytickou odezvu, avšak v abstraktu je uvedeno opačné tvrzení, že vyšší proudovou odezvu vykazovala perovskitová peletka. V této souvislosti by bylo dobré příště rozlišovat mezi absolutní a relativní odezvou. Na závěr kapitoly autor zařadil grafy 6–8, které ale z mého pohledu mohly být opatřeny podstatně lépe srozumitelnou legendou, popiskem, definovat, v jakých parametrech se vynášená data lišila. Autor zde zaměňuje pojmy „osa“ s „křivkou“ a rovnou v popisku uvádí částečnou interpretaci, která by se ale lépe hodily do textu. Rovněž legendy grafů 6 a 8 nejsou subjektivně dobře vysvětleny ani okomentovány. Ke grafům bych ještě zmínil, že autor v příloze na str. 63 zmiňuje proudovou odezvu 1,75 A, avšak z grafu je patrné, že se jedná o mA.
Závěr práce shrnuje hlavní poznatky a správně upozorňuje na další směr výzkumu a to kvantifikace a validace elektrochemických dat pomocí plynové chromatografie, avšak jako metodu detekce bych volil zavedené TCD či BID.
Autor dle mého názoru v předložené práci prokázal schopnost orientovat se v aktuální odborné literatuře, navrhnout experimentální postup, pracovat s elektrochemickým měřením a vyvodit základní závěry z cyklickovoltametrických dat. Konkrétní přínos práce vidím především v ověření použitelnosti elektrochemické cely, v porovnání stability perovskitových vrstev a peletky v nevodném prostředí a v zavedení výchozí metodiky pro další kvantitativní validaci detekce vodíku. Současně však práce obsahuje nedostatky, zejména v oblasti přesnosti formulací, práce s jednotkami, grafické prezentace dat a neúplném splnění cílů definovaných v zadání práce (zejm. 4, částečně 3). Přesto se domnívám, že práce splňuje standardní požadavky kladené na bakalářskou práci v daném oboru, doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení známkou C.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements C
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results C
Interpretation and Discussion of the Results C
Use of Literature and Citations B
Language Quality C
Overall Formal Quality of the Thesis C
Conclusions and Their Formulation B
Topics for thesis defence:
  1. 1. Uvádíte, že nejslibnější se z pohledu relativní odezvy na vodík se jevila perovskitová peletka. Byly v rámci práce provedeny experimenty na více peletkách?
  2. 2. Jak velká je variabilita složení perovskitů z pohledu organických kationtů? Jaký bude mít vliv volba organického kationtu (potažmo jiné složky) na vlnovou délku absorpce světla?
  3. 3. Jak jste experimentálně prováděl vámi zmiňovanou modifikaci vrstev toluenem a 2-propanolem? Existují ještě jiné metody, které by šly vyzkoušet pro zlepšení adheze perovskitu na ITO skle?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová