docSzanowni Panstwo,
download 
Reklamacja Transkrypt
Szanowni Panstwo,
Tematy prac doktorskich zgłoszone przez pracowników Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN do realizacji w ramach ISD w latach 2009-2013 (1) prof. dr hab. inż. Adamczyk Zbigniew tel. (012) 639-51-04 e-mail: [email protected] Temat: „Nowe materiały warstwowe o kontrolowanej architekturze i funkcjonalności zawierające nanocząstki srebra - zastosowania biomedyczne” Opis planowanych badań: Prace doświadczalne w ramach niniejszego projektu obejmowałyby głównie syntezę oraz charakterystykę fizykochemiczną suspensji nanocząstek srebra, modyfikacje powierzchniowe tych cząstek pod kątem zwiększenia ich stabilności i biokompatybilności, opracowanie nowych metod wytwarzania materiałów warstwowych o kontrolowanej architekturze i funkcjonalności, a także opracowanie podstaw aplikacji technologicznych wytwarzania nanomateriałów w medycynie (substancje bakteriobójcze, nośniki białek w testach immunologicznych, biosensory, wektory, mikrokapsułki do selektywnego dostarczania leków, substancje kontrastowe, itp). Planowane prace badawcze obejmowałyby następujące zagadnienia: • Charakterystykę fizykochemiczną stabilizatorów suspensji koloidalnych: surfaktantów, polielektrolitów i polimerów. • Opracowanie efektywnej metody syntezy nanocząstek matali szlachetnych (srebra), o kontrolowanej topologii, właściwościach powierzchniowych, rozmiarach cząstek, właściwościach powierzchniowych. • Charakterystykę fizykochemiczną suspensji nanocząstek: rozkład rozmiarów cząstek, potencjał zeta w funkcji pH (punkty izoelektryczne), wielkość ładunku swobodnego, stabilność, absorpcja UV-Vis, fotoluminescenscja. • Ilościowy opis transportu nanocząstek srebra do powierzchni międzyfazowych w warunkach transportu dyfuzyjnego i konwekcyjnego. • Pomiary kinetyki osadzania cząstek oraz struktury tworzonych monowarstw na powierzchniach fazowych modyfikowanych przez preadsorpcję polielektrolitów i białek. • Opracowanie metodyki detekcji biopolimerów na powierzchniach międzyfazowych bazującą na osadzaniu nanocząstek srebra • Opracowanie metodyki wytwarzania materiałów warstwowych, zawierających substancje białkowe oraz nanocząstki. (2) dr hab. Borowski Tomasz tel. (012) 639-51-58 e-mail: [email protected] Temat: „Modelowanie molekularne struktury i aktywności katalitycznej materiałów biologicznych.” Opis planowanych badań: W ramach tego projektu zbadane zostaną, przy pomocy metod chemii kwantowej oraz modelowania molekularnego, mechanizmy reakcji wybranych enzymów. Celem planowanych badań będzie uzyskanie wglądu w przebieg reakcji składających się na cykle katalityczne enzymów oraz poznanie czynników determinujących ich specyficzność. Cel ten realizowany będzie poprzez wyznaczenie struktur i energii produktów pośrednich oraz stanów przejściowych leżących na ścieżkach reakcji dla badanych układów. Punktem startowym badań będą struktury przestrzenne białek dostępne w bazie struktur makromolekuł - PDB, i pierwszym etapem będzie konstrukcja modelu dla kompleksu enzymsubstrat. Substrat zostanie wpasowany w miejsce aktywne makromolekuły, np. przy pomocy programu AutoDock. Dla otrzymanego modelu przeprowadzona zostanie symulacja dynamiki molekularnej w środowisku wodnym, np. programem Amber lub NAMD2. Z wykorzystaniem tak przygotowanych modeli zbadany zostanie mechanizm chemicznych etapów składających się na cykl katalityczny enzymu, przy czym, obliczenia te wykonane zostaną dla niewielkiego (do około 150 atomów), wyłącznie kwantowo-chemicznego (QM), modelu miejsca aktywnego, i ewentualnie następnie powtórzone dla kwantowo-klasycznego modelu hybrydowego (QM/MM). Obliczenia te wykonane zostaną w programach Jaguar oraz/lub Gaussian. (3) doc. dr inż. Derewiński Mirosław tel. (012) 639-51-54, kom. 508 269392 e-mail: [email protected] Temat: „Nowe materiały hierarchiczne oparte na nanoklasterach zeolitów jako podstawa nowoczesnych układów katalitycznych” Opis planowanych badań: Jednymi z najważniejszych katalizatorów stałych powszechnie wykorzystywanych na skalę przemysłową są sita molekularne, a głównie ich glinowokrzemianowe analogi, tj. zeolity (m.in. przemysłowe procesy petrochemiczne takie jak kraking w złożu fluidalnym (FCC), hydrokraking, izomeryzacja, odparafinowanie (dewaxing), przemiany węglowodorów aromatycznych, procesy MTG (Metanol To Gasoline), MTO (Metanol To Olefins)…). Jednym z istotnych ograniczeń zmniejszających obszar praktycznego wykorzystania tej grupy mikroporowatych ciał stałych w katalizie, są ograniczenia dyfuzyjne występujące w trakcie transportu cząsteczek reagentów przez wąskie (<2nm) kanały sita. Synteza nowych nanomateriałow o hierarchicznej (mikro/mezo/makro) strukturze porowatej jest w chwili obecnej rozpatrywana jako jedno z rozwiązań, które pozwolą na wyeliminowania ograniczeń dyfuzyjnych w przypadku stosowania katalizatorów na bazie zeolitów/sit molekularnych. Wśród opisanych w literaturze tematu kilku proponowanych metod otrzymywania nanonateriałów hierarchicznych, ich preparatyka na drodze grupowania tzw. klasterów protozeolitycznych (nanocząstek o wymiarach poniżej 10nm) w większe struktury mezo/makroporowate jest szczególnie obiecująca. Połączenie unikalnych cech zeolitów (obecność centrów kwasowych o wysokiej mocy kwasowej, kształtoselektywność) z zaletami struktur mezo-makroporowatych (wysoka dostępność wnętrza ziarna) prowadzi do otrzymania aktywnych katalitycznie materiałów o podwyższonych właściwościach kwasowych oraz znacznie ułatwionym transporcie reagentów wewnątrz ziarna katalizatora. Proponowana tematyka pracy obejmuje zarówno opracowania metod preparatyki stabilnych zawiesin nanoklasterów zeolitowych, jak również ich wykorzystanie jako materiału wyjściowego w syntezie stabilnych termicznie nanomateriałów mikro/mezo/makroporowatych o wysokiej pojemności sorpcyjnej, silnych właściwościach kwasowych oraz wysokiej dostępności struktury. Otrzymane preparaty zostaną wykorzystane jako nowe katalizatory w transformacji węglowodorów i ich pochodnych, w procesach katalitycznych prowadzonych w fazie gazowej oraz ciekłej. Zespół, w którym prowadzone będą badania dysponuje dużą skumulowana wiedzą na temat otrzymywania oraz charakterystyki nowych nanomateriałów, szczególnie pod kątem ich zastosowania w już istniejących oraz nowych, opracowywanych technologiach transformacji węglowodorów i ich pochodnych (2 zakończone doktoraty w roku 2009). Ponadto dysponuje specjalistyczna aparatura badawczą, zorientowana na preparatykę i charakterystykę właściwości fizykochemicznych nowych nanomateriałów hierarchicznych. Dotychczas nie było wcześniejszego kontaktu z bardzo dobrym kandydatem, do podjęcia proponowanej tematyki badawczej. (4) doc. dr hab. Nowak Paweł tel. (012) 639-51-31 e-mail: [email protected] Temat: „Stopy i materiały kompozytowe na bazie metali przejściowych o niskim nadpotencjale reakcji wydzielania/jonizacji wodoru” Opis planowanych badań: Reakcja wydzielania wodoru z roztworów wodnych na drodze elektrolizy jest wciąż jednym z najważniejszych sposobów otrzymywania wodoru, która to substancja uważana jest za paliwo przyszłości. Równocześnie wodór jest wciąż (i zapewne pozostanie w przyszłości) jednym z najważniejszych paliw stosowanych w ogniwach paliwowych, w których w reakcji jonizacji z wodoru molekularnego powstaje woda. Obie reakcje przebiegają oczywiście poprzez te same stadia pośrednie i w związku z tym katalizowane są przez te same katalizatory. Niestety najlepszymi znanymi katalizatorami tych reakcji są metale z grupy platynowców, w szczególności platyna. W związku z tym w świecie prowadzone są intensywne badania, których celem jest znalezienie materiałów elektrodowych niezawierających metali z grupy platynowców, a wykazujących właściwości katalityczne w reakcji wydzielania/jonizacji wodoru porównywalne z platyną. W literaturze znaleźć można olbrzymią ilość prac dotyczących aktywności katalitycznej stopów i kompozytów, których składnikami są metale inne niż platynowce, oraz niektóre niemetale, brak jest natomiast systematycznych badań związku pomiędzy strukturą elektronową takich materiałów a ich aktywnością katalityczną. Znalezienie takich korelacji byłoby przedmiotem planowanego doktoratu. W badaniach stosowane będą techniki elektrochemiczne - w pracowni, w której wykonywana będzie praca znajdują się trzy skomputeryzowane zestawy pomiarowe, umożliwiające stosowanie praktyczne rzecz biorąc każdej techniki elektrochemicznej. Jako podstawową technikę eksperymentalną, obok technik elektrochemicznych, zamierzamy stosować spektrometrię fotoelektronów wzbudzanych promieniowaniem UV (do badania struktury pasma walencyjnego), z wykorzystaniem nowoczesnego spektrometru XPS znajdującego się w Instytucie Katalizy. Do badania struktury krystalicznej i tekstury materiałów wykorzystane zostaną znajdujące się w Instytucie dwa dyfraktometry oraz skaningowy mikroskop elektronowy. Zamierzamy również nawiązać współpracę z zespołem chemii kwantowej pracującym w Instytucie Katalizy. Spodziewamy się, że planowane badania nie tylko wyjaśnią związek pomiędzy strukturą elektronową materiałów i ich aktywnością, lecz również pozwolą na zaproponowanie nowych efektywnych katalizatorów. Informacje dodatkowe: Doktorat powiązany będzie z badaniami prowadzonymi w ramach grantu „Elektrody kompozytowe wykazujące właściwości elektrokatalityczne w procesach wydzielania i jonizacji wodoru”, realizowanego wspólnie z grupą pracowników z Politechniki Śląskiej (kierownik grantu dr Ginter Nawrat, Pol. Śl.). Grant został przyznany w ostatniej edycji – jego rozpoczęcie przewidujemy na połowę 2009 roku, okres realizacji grantu 3 lata. Udział w grancie nie tylko zapewni dodatkowe środki na badania, ale umożliwi również lepsze powiązanie prowadzonych badań z praktyką. (5) prof. dr hab. inż. Sulikowski Bogdan tel. (012) 639-51-59 e-mail: [email protected] Temat: „Multiporowate sita molekularne jako układy katalityczne w procesach typu ‘green chemistry’ ” Opis planowanych badań: Proponowana praca doktorska wpisuje się w obszar badań określany jako green chemistry. Dotyczy badań mających na celu opracowanie innowacyjnych katalizatorów zeolitowych służących do przemian cząsteczek interesujących dla przemysłu chemicznego, farmaceutycznego i spożywczego. Katalizatory zeolitowe, w których można wygenerować centra kwasowe lub/i centra redoksowe, stanowią klasę nadzwyczaj ważnych kontaktów stosowanych w technologii chemicznej w skali przemysłowej. Jednakże w ostatnich latach obserwuje się rozwój badań nad katalizatorami zeolitowymi do prowadzenia nowych reakcji, leżących poza dobrze ugruntowanym obszarem procesów stosowanych już w przemyśle, czyli hydroodsiarczania, hydroodazotowania, izomeryzacji węglowodorów parafinowych i alkiloaromatycznych, oraz otrzymywania benzyny z metanolu i etanolu. Synteza interesujących dla przemysłu produktów wymaga przygotowania nowej generacji katalizatorów, łączących zalety zeolitów z kontaktami amorficznymi. Preparatyka takich katalizatorów obejmuje głęboką modyfikację zeolitów na drodze dealuminiowania (usuwania glinu), odkrzemowienia (usuwania krzemu), osadzania dodatkowej fazy aktywnej, czy też syntezy z układów protozeolitycznych. Otrzymuje się w ten sposób materiały o zmienionej liczbie centrów aktywnych z wygenerowanym ponadto systemem mezo- lub makroporów o różnej średnicy. Tworzenie dodatkowych porów, oprócz istniejącego systemu porów/komór właściwych dla struktury danego sita molekularnego, pozwoli na prowadzenie reakcji katalitycznych z udziałem znacznie większych cząsteczek. Proponowana tematyka rozprawy doktorskiej obejmie syntezę multimodalnych katalizatorów zeolitowych i ich charakterystykę. Właściwości katalityczne otrzymanych kontaktów zostaną przetestowane w procesach obejmujących transformacje węglowodorów terpenowych na drodze utleniania i izomeryzacji, a także syntezy wybranych wyższych eterów. Zespół Chemii Zeolitów I posiada wieloletnie doświadczenie w syntezie, modyfikacji i testowaniu katalizatorów zeolitowych i tlenkowych w rozmaitych reakcjach. Posiadamy odpowiednią aparaturę do syntez zeolitów, ich modyfikacji i prowadzenia badań katalitycznych. Ponadto utrzymujemy szeroką współpracę krajową i zagraniczną. W zespole zostały zakończone dwa doktoraty, a dwa następne zostaną ukończone w bieżącym roku. (6) prof. dr hab. inż. Warszyński Piotr tel: (012) 639-51-01 e-mail: [email protected] Temat: „Modyfikacja powierzchni materiałów za pomocą warstw polimerowych zawierających nanocząstki” Opis planowanych badań: Polimery, polielektrolity i nanocząstki stanowią podstawowy materiał dla formowania powierzchniowych nanostruktur materii miękkiej lub kompozytowych. Nanostruktury te znajdują zastosowanie w modyfikacji powierzchniowej materiałów celem nadania iim nowych funkcji (powierzchnie aktywne katalitycznie, sensorowe, superhydrofobowe, biokompatybilne, itp.). Zakres badań będzie obejmować tworzenie wielowarstwowych pokryć na powierzchniach różnych materiałów (n.p. krzem, stal, złoto, węgiel szklisty, materiały ceramiczne) składających się z polimerów (polielektrolitów) syntetycznych i pochodzenia naturalnego zawierających proteiny, nanocząstki o własnościach katalitycznych, kropki kwantowe. Określony zostanie wpływ warunków tworzenia na strukturę powstających materiałów i podstawowe parametry fizykochemiczne dobrane pod kątem ewentualnych zastosowań. Inne informacje: Kandydat, oprócz własnej tematyki badawczej, będzie zobowiązany uczestniczyć w międzynarodowych projektach naukowych realizowanych przez IKiFP. (7) doc. dr hab. Paweł Weroński tel. (0-12) 639-51-28 e-mail: [email protected] Temat: „Teoretyczna i eksperymentalna analiza porowatości koloidalnych materiałów wielowarstwowych o kontrolowanej architekturze” Opis planowanych badań: Cienkie pokrycia wielowarstwowe mogą być wytwarzane stosunkowo łatwo i szybko techniką osadzania „warstwa po warstwie”, opatentowaną na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Od tego czasu nastąpił gwałtowny rozwój w dziedzinie inżynierii materiałowej. Intensywne badania naukowe związane z syntezą wielowarstw spowodowały w okresie ostatnich kilkunastu lat wykładniczy wzrost liczby publikacji i patentów w tej dziedzinie. Dotychczasowe badania wskazują na liczne możliwości wykorzystania produktów syntezy. Pojawiły się także komercyjne aplikacje tej metody. Ze względu na powszechność poszukiwania nowych materiałów o wyszukanych własnościach powierzchniowych metoda syntezy „warstwa po warstwie” skupia zainteresowanie chemików, fizyków i biologów. Niniejszy projekt będzie miał istotne znaczenie poznawcze i ułatwi prowadzenie badań eksperymentalnych w systematyczny sposób. Ponadto opracowane algorytmy wyznaczania porowatości cienkich warstw będą również przydatne do obliczania porowatości cienkich warstw molekularnych. W tym sensie pozwoli to na szerokie wykorzystanie wyników projektu we wielu obecnie badanych układach molekularnych, poczynając od stosunkowo prostych zastosowań molekularnych pokryć wielowarstwowych do ochrony przed korozją, a kończąc na ich wyrafinowanych aplikacjach w dziedzinie nowoczesnej biotechnologii. Głównym celem naukowym projektu będzie wyznaczenie ilościowej zależności rozkładu wielkości porów i średniej porowatości wielowarstwy od stężenia elektrolitu w trakcie syntezy wielowarstwy. W ramach projektu zostaną zrealizowane następujące cele badawcze: a) wysymulawanie wielowarstw kulistych cząstek koloidalnych dla wybranych wartości siły jonowej roztworu elektrolitu i synteza rzeczywistych wielowarstw w analogicznych warunkach eksperymentalnych b) ilościowy opis struktury wysymulowanych wielowarstw za pomocą profili grubości i 2D funkcji korelacyjnych cząstka-cząstka oraz ilościowy opis struktury wielowarstw otrzymanych w eksperymentach c) porównanie struktur eksperymentalnych i teoretycznych d) opracowanie numerycznego algorytmu do efektywnego wyznaczania rozkładu wielkości porów w wielowarstwie, obliczenie tego rozkładu dla wysymulowanych warstw i obliczenie ich średniej porowatości e) wyznaczenie średniej porowatości wielowarstw rzeczywistych metodami elektrochemicznymi, porównanie średnich porowatości otrzymanych na drodze teoretycznej i eksperymentalnej, a także weryfikacja stosowanych modeli f) porównanie wyników otrzymanych w układach rzeczywistych miękkich cząstek i układach efektywnych twardych cząstek g) weryfikacja zastosowania metody wirującej elektrody dyskowej do pomiarów porowatości cienkich warstw koloidalnych (8) prof. dr hab. Witko Małgorzata tel. (012) 639-51-01 e-mail: [email protected] Temat: „Modelowanie właściwości fizyko-chemicznych heteropolikwasów katalizatorów do syntezy biodiesla” Opis planowanych badań: Przepisy Unii Europejskiej w zakresie ochrony środowiska oraz produkcji/odzyskiwanie energii obligują do poszukiwań nowych przyjaznych dla środowiska katalizatorów. Heteropolikwasy należą do grupy związków, które ze względu na posiadane właściwości kwasowo-zasadowe i redoksowe są używane zarówno w procesach łagodnego utleniania jak i w procesach gdzie wymagane są silnie właściwości kwasowe. W ostatnim czasie sole heteropolikwasów badane są np. w reakcjach syntezy Biodiesla. Przedstawiony projekt ma na celu teoretyczne przebadanie reaktywności heteropolikwasów (H3PMo12O40, H3PW12O40) zmodyfikowanych jonami metali przejściowych tj. Mo, Co, Fe (wprowadzonych do struktury heteropolikwasów w trzy różne pozycje: w pozycję jonu centralnego (P), w pozycję addenda (Mo/W) i w pozycję jonu kompensującego (H). Testowanymi procesami będą reakcje utleniania cyklooktanu, cykloheksenu i epoksydacja propylenu. Proponowane w temacie obliczenia mają za zadanie znalezienie korelacji pomiędzy strukturą elektronową (różny pod względem chemicznym typ sąsiadów) i geometryczną (obecność różnego otoczenia) zmodyfikowanych jonami metali przejściowych heteropolikwasów, a ich właściwościami katalitycznymi w reakcjach utlenienia węglowodorów cyklicznych i epoksydacji propylenu. Szczegółowe badania struktury geometrycznej i elektronowej winny odpowiedzieć na pytanie, dlaczego niektóre struktury heteropolikwasów z jonami metali przejściowych są niestabilne i dlaczego tylko niektóre pozycje w strukturze heteropolikwasów wpływają na zmianę aktywności katalitycznej czy selektywności do określonego produktu. Jako technikę badań proponujemy obliczenia kwantowo-chemiczne metodą DFT. Obliczenia przeprowadzone zostaną przy użyciu zarówno modelu klasterowego jak i modelu periodycznego. Wyznaczone zostaną szczegółowe mapy potencjału elektrostatycznego, mapy gęstości elektronowej, charakterystyka gęstości stanów, częstości drgań i właściwości magnetyczne. (9) prof. dr hab. Witko Małgorzata tel. (012) 639-51-01 email: [email protected] Temat: „Silany - paliwo przyszłości. Modelowanie właściwości silanów jako analogów węglowodorów.” Opis planowanych badań: Silany, związki o ogólnym wzorze SinH2n+2, choć znane od 1857 roku, szersze zastosowanie znalazły dopiero przy produkcji układów półprzewodnikowych. Zdolność tych połączeń do pyrolizy prowadzącej do krystalicznego Si oraz gazowego wodoru a także zwiększająca się ich dostępność, a co za tym idzie zmniejszająca się cena, zainicjowały próby zastosowania tych związków jako paliw. Na początku silany, a konkretnie monosilan SiH4, był dodatkiem do naddźwiękowych silników odrzutowych (tzw. scramjets) napędzanych wodorem a następnie także węglowodorami. Powstały także eksperymentalne konstrukcje w których silany są głównym paliwem, natomiast utleniaczem jest powietrze, ciekły tlen lub hydrazyna. Istotną zaletą paliw silanowych jest fakt, że nie wydzielają one tlenków węgla jako produktów spalania. W sferze rozważań teoretycznych pozostają takie zastosowania jak: 1. produkcja paliwa na Księżycu - krzem jest znacznie bardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na powierzchni Księżyca niż węgiel dlatego silany są kuszącą alternatywą dla paliw węglowodorowych czy 2. silniki odrzutowe na Marsie - ponieważ silany spalają się w CO2, który stanowi 95% marsjańskiej atmosfery, możliwe jest skonstruowanie silników o ogromnej wydajności i mocy. Celem badań teoretycznych w pierwszym etapie będzie określenie termodynamiki różnych reakcji silanów od SiH4 do Si10H22 oraz wybranych cyklo-silanów przy pomocy metod periodycznej DFT. Porównanie wyników z istniejącymi danymi eksperymentalnym i doświadczalnymi pozwoli na optymalną kalibrację metody obliczeniowej. Zasadniczą częścią badań będzie zasymulowanie reakcji silanów (pyroliza silanów oraz spalanie w tlenie, hydrazynie i dwutlenku węgla) oraz dokładne określenie barier dyskutowanych reakcji przy pomocy algorytmów znajdowania stanów przejściowych zaimplementowanych w programie VASP5.
