Zimna Plazma jako narzędzie Inżynierii Molekularnej

Transkrypt

Politechnika Łódzka
Wydział Inżynierii Procesowej
i Ochrony Środowiska
SYMPOZJUM
„Zimna Plazma jako narzędzie
Inżynierii Molekularnej”
Dębowiec, 13-16 czerwca 2016
Organizator: Katedra Inżynierii Molekularnej
Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska
Wólczańska 213, 90-924 Łódź, tel.: 631 3678
SYMPOZJUM „Zimna Plazma jako narzędzie Inżynierii Molekularnej”
Łódź, dnia: 01.06.2016 r.
ZIMNA PLAZMA JAKO NARZĘDZIE INŻYNIERII MOLEKULARNEJ
Po raz kolejny Katedra Inżynierii Molekularnej Wydziału Inżynierii
Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej organizuje spotkanie ludzi
zainteresowanych praktycznym zastosowaniem inżynierii molekularnej w różnych
dziedzinach nauki i przemysłu, zwracając tym razem szczególną uwagę na
wykorzystania do tego celu technik plazmowych. Tak więc w tym roku Sympozjum
przyjęło nazwę „Zimna Plazma jako narzędzie Inżynierii Molekularnej”.
W skład Sympozjum wchodzi sześć sesji tematycznych:
1.
2.
3.
4.
Plazma w biomedycynie;
Plazma w nanoinżynierii powierzchni;
Inżynieria molekularna katalizatorów;
Nanomateriały dla źródeł i akumulatorów energii;
5. Kataliza plazmowa;
6. Nie pędzlem a plazmą, czyli różne aspekty zastosowania plazmy.
Celem Sympozjum jest podsumowanie dotychczasowej współpracy,
dalszy jej rozwój, jak też nawiązanie nowych relacji pomiędzy jednostkami
naukowymi zainteresowanymi inżynierią molekularną i technikami plazmowymi.
Poruszane tematy stanowić będą podstawę do dyskusji nad sposobami
praktycznego wykorzystania obecnych osiągnięć, jak też tworzenia dalszych,
nowych i innowacyjnych rozwiązań.
Mam nadzieję, że organizowane Sympozjum będzie interesujące
i zaowocuje powstaniem kolejnych wspólnych prac oraz projektów badawczych
i rozwojowych w zakresie szeroko pojętych powiązań pomiędzy inżynierią
molekularną, nanotechnologią i technikami plazmowymi.
Jacek Tyczkowski
Katedra Inżynierii Molekularnej
90-924 Łódź, ul. Wólczańska 213, budynek B10
tel. 42 631 37 00, fax. 42 636 56 63, e-mail: [email protected]
PROGRAM SYMPOZJUM
13 czerwca 2016 r. (poniedziałek)
13.00
Zakwaterowanie
14.00
Obiad
Plazma w biomedycynie
15.00
Powitanie uczestników Sympozjum i otwarcie obrad: Jacek Tyczkowski
Katedra Inżynierii Molekularnej, WIPOS, Politechnika Łódzka
15.15
Ewa Tyczkowska-Sieroń „Zimna plazma w eradykacji drobnoustrojów
– perspektywy zastosowania”
Zakład Biologii Środowiskowej, Wydział Wojskowo-Lekarski, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
15.45
Anna Głowacka „Grzyby pleśniowe w suszonych owocach, ziołach i przyprawach
– potencjalne możliwości wykorzystania zimnej plazmy do ich niszczenia”
Zakład Biologii Środowiskowej, Wydział Wojskowo-Lekarski, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
16.15
Justyna Markiewicz „Perspektywy praktycznego zastosowania urządzenia do
generowania zimnej plazmy kINPen MED®.
16.35
Przerwa kawowa
Plazma w nanoinżynierii powierzchni
17.15
Iwona Krawczyk-Kłys „Plazmowa technologia ekologicznego klejenia elastomerów
na skalę przemysłową"
Zakład Innowacyjnych Technologii Polimerowych, Instytut Przemysłu Skórzanego w Łodzi
17.45
Maciej Makowski „Analiza ilościowa hydrofobowych nanostruktur krzemowęglowych otrzymanych metodą plazmową”
18.05
Michal Młotek „Zastosowanie wyładowania barierowego do modyfikacji
powierzchni tworzyw sztucznych”
Katedra Technologii Chemicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska
18.35
Zakończenie obrad
19.30
Dyskusja w blasku ogniska, podsumowująca dzień obrad
14 czerwca 2016 r. (wtorek)
09.00
Śniadanie
Inżynieria molekularna katalizatorów
10.00
Otwarcie obrad
10.10
Joanna Łojewska “Badania in situ kalcynacji blachy kantalowej używanej do
formowania nośników strukturalnych”
Zespół kinetyki reakcji heterogenicznych, Wydział Chemii, Uniwersytet Jagielloński
10.40
Ewelina Piwowarczyk „Synteza, aktywacja i regeneracja katalizatora kobaltowo
palladowego do utleniania metanu”
11.00
Magdalena Chrzan „Badania in situ FTIR centrów aktywnych typowych nośników
używanych w katalizie”
11.20
Damian Chlebda „Badania in situ reakcji utleniania metanu”
11.40
Jacek Balcerzak "Analiza XPS elektrokatalitycznie aktywnych warstw rutenowych
poddanych utlenianiu i redukcji w module Cat-cell spektrometru Kratos AXIS Ultra"
12.00
Przerwa kawowa
12.30
Dobiesław Nazimek „Nanostrukturalny fotokatalizator a III Wojna Światowa”
Katedra Energetyki i Pojazdów, Wydział Inżynierii Produkcji, Uniwersytet Przyrodniczy
w Lublinie
13.00
Kinga Skalska „Wykorzystanie procesów katalitycznych do usuwania
zanieczyszczeń w fazie gazowej”
Zakład Technik Inżynierii Środowiska, WIPOS, Politechnika Łódzka
13.30
Ryszard Kapica „Wytwarzanie cienkich warstw katalitycznych metodą nakładania
plazmowego oraz ich zastosowanie w procesie dopalania lotnych węglowodorów”
14.00
Piotr Tracz „Wytwarzanie nanokatalizatorów metodą depozycji plazmowej
i badania ich aktywności w reakcji metanizacji CO2”
14.20
Zakończenie obrad
14.30
Obiad
15.30
Wycieczka do Tężni Solankowej w Dębowcu
19.30
Kolacja połączona z dyskusją podsumowującą dzień obrad
15 czerwca 2016 r. (środa)
09.00
Śniadanie
Nanomateriały do źródeł i akumulatorów energii
10.00
Otwarcie obrad
10.10
Grzegorz Lota „Kondensatory elektrochemiczne”
Instytut Chemii i Elektrochemii Technicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika
Poznańska
10.40
Łukasz Kolanowski „Wpływ modyfikacji materiałów węglowych na pojemność
kondensatorów elektrochemicznych”
Poznańska
11.00
Łukasz Jóźwiak „Elektrokatalizatory o budowie przestrzennej (3D)”
11.20
Bogdan Ulejczyk „Zastosowanie wyładowania z barierą dielektryczną do
wytwarzania wodoru z etanolu”
11.50
Jan Sielski „Nanostrukturalne elektrody elektrochemiczne z amorficznych szkliw
germanowęglowych wytwarzane w plazmie niskotemperaturowej”
12.10
Przerwa kawowa
Kataliza plazmowa
12.40
Krzysztof Krawczyk „Procesy katalityczne i skojarzone plazmowe-katalityczne
w procesach chemicznych”
13.10
Longin Chruściński „Synergistyczne oddziaływanie między plazmą
i katalizatorem”
13.40
Zamknięcie obrad
13.50
Obiad
14.50
Wycieczka do działo-mistrza Czesława Kanafki
20.00
Podsumowanie dnia obrad w towarzystwie „grillowanych produktów”
16 czerwca 2016 r. (czwartek)
09.00
Śniadanie
Nie pędzlem a plazmą, czyli różne aspekty wykorzystania plazmy
10.00
Otwarcie obrad
10.10
Andrzej Huczko „Nepalskie peregrynacje, czyli plazma w cieniu Himalajów”
Pracownia fizykochemii nanomateriałów, Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski
10.40
Agnieszka Dąbrowska „Mały reaktor, wielkie możliwości – o syntezie spaleniowej
nanomateriałów”
Pracownia fizykochemii nanomateriałów, Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski
11.00
Sławomir Kuberski „Potencjalne zastosowania plazmy w inżynierii środowiska”
11.30
Bartosz Małachowski „Charakterystyka i zastosowanie puchu modyfikowanego
z zastosowaniem plazmy niskotemperaturowej w odzieży alpinistycznej”
Pracownia Sprzętu Alpinistycznego Małachowski
11.50
Zakończenie i podsumowanie Sympozjum – Jacek Tyczkowski
12.30
Obiad
14.30
Wyjazd
W programie podano tylko nazwiska prelegentów (pełna lista autorów jest
umieszczona w "Streszczeniach").
STRESZCZENIA
Plazma w biomedycynie
8
Zimna plazma w eradykacji drobnoustrojów –
perspektywy zastosowania
1
2
Ewa Tyczkowska-Sieroń , Justyna Markiewicz ,
1
2
Anna Głowacka , Jacek Tyczkowski
1
Zakład Biologii Środowiskowej. Wydział Wojskowo-Lekarski, Uniwersytet Medyczny
w Łodzi
2
Katedra Inżynierii Molekularnej, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska,
e-mail: [email protected]
W prezentowanej prelekcji przedstawiony będzie krótki przegląd wpływu
nierównowagowej plazmy o ciśnieniu atmosferycznym na komórki
mikroorganizmów. W ostatnim czasie na świecie uzyskano bardzo interesujące
wyniki w tym zakresie otwierające zupełnie nowe możliwości dla zastosowania
plazmy w medycynie. Większość badań dotyczy jednak komórek bakterii,
natomiast nasz zespół prowadzi badania dotyczące wpływu plazmy na komórki
grzybów z rodzaju Candida oraz alg z rodzaju Prototheca. Badania prowadzone
są we współpracy Zakładu Biologii Środowiskowej Uniwersytetu Medycznego
w Łodzi z Katedrą Inżynierii Molekularnej Politechniki Łódzkiej. Opracowując
uzyskane wyniki skoncentrowaliśmy się na trzech podstawowych zagadnieniach.
Po pierwsze zwróciliśmy uwagę na różnice w działaniu bójczym plazmy na
komórki grzybów i alg, gdzie badaliśmy wpływ parametrów plazmy na
uśmiercanie różnych rodzajów niszczonych mikroorganizmów. W kolejnym
etapie badań podjęliśmy próbę wyjaśnienia mechanizmów działania plazmy na
badane mikroorganizmy. Ostatni poruszany problem dotyczy zmian
genotypowych i fenotypowych w komórkach, które zostały poddane
subletalnemu działaniu plazmy. Omawiając ten problem główną uwagę
skupiliśmy na ustaleniu zmian w lekooporności oraz w metabolizmie grzybów
z rodzaju Candida, sprawdzając zdolność przyswajania węgla z różnych
węglowodanów i zmianę aktywności enzymów hydrolitycznych wydzielanych
przez badane grzyby.
Prowadzone przez nas badania mogą otworzyć nowe możliwości leczenia
kandydoz i prototekoz powierzchniowych, które przy zaburzeniu lokalnych
warunków środowiskowych we wrotach zakażenia, mogą prowadzić do rozwoju
ciężkich zakażeń narządowych.
Słowa kluczowe: Candida albicans, Prototheca sp., zimna plazma atmosferyczna, inaktywacja mikroorganizmów, cechy fenotypowe
9
Grzyby pleśniowe w suszonych owocach, ziołach
i przyprawach – potencjalne możliwości wykorzystania
zimnej plazmy do ich niszczenia
1
1
Anna Głowacka , Ewa Tyczkowska-Sieroń ,
1
2
Barbara Grzesiak , Magdalena Gajewska
1
Zakład Biologii Środowiskowej. Wydział Wojskowo-Lekarski, Uniwersytet Medyczny
w Łodzi
2
Instytut Przemysłu Rolno-Spożywczego im. Prof. Wacława Dąbrowskiego
(oddział w Łodzi)
Celem badań była analiza występowania grzybów pleśniowych w suszonych
owocach, ziołach i przyprawach pochodzących z upraw ekologicznych
i konwencjonalnych ze szczególnym uwzględnieniem:
- identyfikacji składu jakościowego grzybów pleśniowych na podstawie cech
makro- i mikroskopowych grzybni występujących w badanych produktach,
- określenia zawartości mykotoksyn (sumy aflatoksyn B1, B2, G1, G2
i ochratoksyny A,
- oceny wrażliwości wyizolowanych grzybów pleśniowych na naturalne preparaty:
galgant, bertram, piperyna, wyciąg z zielonej herbaty, ekstrakt z czosnku.
Wstępne wyniki badań wykazały, że najczęściej występującymi grzybami
pleśniowymi w badanych produktach (czosnek, cebula, koperek, pietruszka,
bazylia, oregano, estragon, tymianek, gałka muszkatołowa, curry, kurkuma,
daktyle, figi, chipsy bananowe, rodzynki) były: Aspergillus niger, A. flavus,
Penicillium spp., Mucor spp., Alternaria. Największą zawartość aflatoksyn
i ochratoksyny A [µg/kg] odnotowano w produktach zakupionych w sieci
hipermarketów, w większości przypadków różniły się one istotnie w porównaniu
do produktów pochodzących ze sklepów ekologicznych. Szczepy grzybów
pleśniowych wyizolowane z owoców, ziół i przypraw wykazały największą
wrażliwość na ekstrakt z czosnku, piperynę i galgant. Oprócz naturalnych
preparatów, które mogłyby znaleźć zastosowanie do eradykacji grzybów
pleśniowych znajdujących się w owocach, ziołach i przyprawach, rozważamy
możliwość niszczenia tych grzybów za pomocą zimnej plazmy, ponieważ mamy
świadomość, że konserwant musi spełniać szereg wymogów i norm, aby można
go było stosować w przemyśle spożywczym. Konserwant nie może być
toksyczny, drażniący i uczulający, powinien być bezwonny, bezbarwny i nie
posiadać smaku. Obróbka zimną plazmą pozwoliłaby wyeliminować trudności
związane z zastosowaniem konserwantów.
Słowa kluczowe: grzyby pleśniowe, zioła, mieszanki
mykotoksyny, czystość mikrobiologiczna, obróbka plazmowa
10
przyprawowe,
Perspektywy praktycznego zastosowania urządzenia
do generowania zimnej plazmy kINPen MED®
Justyna Markiewicz
Neoplas Tools GmbH jest producentem pierwszego certyfikowanego,
generującego zimną plazmę, urządzenia zatwierdzonego jako aparat medyczny.
®
Terapia plazmowa urządzeniem kINPen MED (Rys. 1) jest uważana za
skuteczną metodę leczenia, w szczególności dla zakażeń, trudnych w gojeniu się
ran i chorób skóry wywołanych patogenami, wykorzystywaną z powodzeniem
w medycynie, stomatologii oraz weterynarii.
®
kINPen MED pozwala na kombinację różnych parametrów, które dają silne
działanie przeciwbakteryjne i wspomagające trudno gojące się rany, takie jak
odleżyny czy owrzodzenia. Ponadto rany pooperacyjne, infekcje grzybicze,
brodawki czy trądzik mogą być skuteczne traktowane za pomocą zimnej plazmy.
W prezentacji, poza omówieniem zastosowań urządzenia w medycynie,
przedstawieniowe będą możliwości wykorzystania go do badań podstawowych
w zakresie biomedycyny plazmowej prowadzonych w Katedrze Inżynierii
Molekularnej PŁ.
Rys. 1. Urządzenie kINPen MED® [1]
Słowa kluczowe:
mikroorganizmy
medycyna
plazmowa,
zimna
plazma
atmosferyczna,
Bibliografia:
1.
Strona internetowa producenta urządzenia: http://www.neoplas-tools.eu/
11
Plazma w nanoinżynierii
powierzchni
12
Plazmowa technologia ekologicznego klejenia
elastomerów na skalę przemysłową
1
1
2
Iwona Krawczyk-Kłys , Izabella Jaruga , Jacek Balcerzak ,
2
2
2
Ryszard Kapica , Justyna Markiewicz , Jacek Tyczkowski
1
Instytut Przemysłu Skórzanego, Zgierska 73, 91-462 Łódź
2
Procesy klejenia rozmaitych mieszanek gumowych są stosowane na szeroką
skalę w wielu gałęziach przemysłu, np. w przemyśle obuwniczym,
motoryzacyjnym, maszynowym. Jakość i wytrzymałość tworzonych tam złączy
klejowych zależy przede wszystkim od struktury powierzchni klejonych
elementów oraz rodzaju stosowanego kleju. Powszechnie stosowana obróbka
powierzchni mieszanek gumowych chemicznymi metodami mokrymi oraz
klejenie ich za pomocą klejów rozpuszczalnikowych stanowią metodykę
odbiegającą daleko od norm obowiązujących w "zielonej chemii". Nic więc
dziwnego, że poszukuje się nowych, ekologicznych metod przygotowania
powierzchni gum do klejenia oraz przeprowadzenia ich procesu klejenia.
Prowadzone od wielu lat przez naszą grupę badania dostarczają nie tylko
istotnych wyników w obszarze badań podstawowych, poszerzających obecną
wiedzę w zakresie mechanizmów klejenia na poziomie molekularnym
rzeczywistych wieloskładnikowych układów mieszanek gumowych, ale również
mają umożliwić opracowanie długo oczekiwanej, kompleksowej i przede
wszystkim ekologicznej metody klejenia mieszanek gumowych wytworzonych na
bazie kopolimerów styrenowo-butadienowo-styrenowych (SBS), powszechnie
stosowanych w przemyśle. Jednakże mocno ograniczona wiedza na temat
procesów plazmowych zachodzących na tak złożonych powierzchniach, jak
powierzchnie mieszanek gumowych, gdzie oprócz kopolimeru SBS występuje
szereg innych komponentów (np. sadza, krzemionka, plastyfikatory,
przeciwutleniacze), jak też wiele niejasności w procesach klejenia takich
powierzchni klejami dyspersyjnymi, wymagała podjęcia kolejnych intensywnych
badań w tym zakresie.
W prezentowanej pracy do aktywacji powierzchni zastosowano obróbkę
w niskociśnieniowej plazmie nierównowagowej. Proces klejenia przeprowadzany
był między innymi z udziałem wodnych dyspersji poliuretanowych. Zarówno
obróbka w plazmie, jak i klejenie za pomocą klejów dyspersyjnych traktowane są
jako procedury w pełni ekologiczne.
Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju na
podstawie umowy nr PBS3/A5/51/2015
Słowa kluczowe: obróbka plazmowa, guma przemysłowa, adhezja , klej
dyspersyjny
13
Analiza ilościowa hydrofobowych nanostruktur krzemowęglowych otrzymanych metodą plazmową
Maciej Makowski, Jan Sielski, Jacek Tyczkowski
Nadanie odpowiednich właściwości powierzchni materiałów ceramicznych
może mieć ogromny wpływ i znaczenie na ich zastosowanie w różnych gałęziach
przemysłu oraz w życiu codziennym. Jedną z tych właściwości jest
hydrofobowość powierzchni. Metoda plazmowej polimeryzacji, którą posłużono
się do uzyskania powierzchni hydrofobowej na ceramicznym podłożu, jest
stosunkowo innowacyjna, nowoczesna i stale rozwijana. Zastosowanie tej
technologii pozwala na depozycję cienkiej warstwy krzemowo-węglowej na
powierzchni ceramik, nadając jej właściwości wysoce hydrofobowe.
Poprzez umiejętne kontrolowanie i sterowanie parametrami procesu
technologicznego można modyfikować strukturę materiału w taki sposób, aby
nadać powierzchni odpowiednie właściwości. Jedną z metod, która pozwala na
określenie zależności pomiędzy parametrami procesu a uzyskaną strukturą
powierzchni jest ilościowej analiza obrazu. Analiza obrazu służy do wydobywania
ze zdjęć istotnych informacji, takich jak liczba, pole powierzchni oraz średnica
analizowanych obiektów. Zliczanie obiektów znajdujących się w określonym
obszarze obrazu jest jednym z głównych wyzwań w analizie obrazu. Celem
niniejszej pracy jest ilościowa analiza obrazów uzyskanych za pomocą
skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), ilustrujących hydrofobowe
nanostruktury otrzymane w procesie plazmowej depozycji z par związków
krzemoorganicznych oraz określenie wpływu parametrów procesu polimeryzacji
plazmowej na właściwości hydrofobowe powierzchni ceramik.
Słowa kluczowe:
ceramika
depozycja
plazmowa,
14
nanostruktura,
hydrofobowość,
Zastosowanie wyładowania barierowego do modyfikacji
powierzchni tworzyw sztucznych
Michał Młotek, Bogdan Ulejczyk, Krzysztof Krawczyk
Warstwa wierzchnia materiałów posiada często inne właściwości niż jego
wnętrze. Modyfikacja powierzchni zewnętrznej stosowana jest w celu
zabezpieczenia przed korozją, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej,
poprawy trwałości złącz adhezyjnych lub uszczelnienia. Procesy plazmowe
odgrywają coraz większą rolę wśród metod stosowanych do modyfikacji
powierzchni tworzyw sztucznych [1]. Plazma może być generowana za pomocą
różnych wyładowań, spośród których najpowszechniej stosuje się barierowe
(DBD). Może ono być stosowane w szerokim zakresie ciśnień i mocy
wyładowania, co znacząco zmniejsza ryzyko uszkodzenia modyfikowanej próbki.
Najczęściej modyfikowanymi materiałami są folie, natomiast stosunkowo
niewiele prac naukowych dotyczy modyfikacji elementów o bardziej złożonych
kształtach. Jest to spowodowane trudnościami związanymi z zaprojektowaniem
reaktora oraz ograniczeniami stawianymi przez wyładowanie barierowe.
W Katedrze Technologii Chemicznej opracowano reaktor z wyładowaniem
barierowym, umożliwiającym modyfikację powierzchni rurek o średnicy 2 mm
wykonanych z polietylenu, w kierunku zwiększenia jej hydrofilowości (Rys.1).
W czasie modyfikacji na powierzchni tworzywa sztucznego obserwowano
obecność grup funkcyjnych takich jak: karboksylowa, karbonylowa, hydroksylowa
(Rys. 2), które odpowiadają za wzrost zwilżalności powierzchni [2].
3
2
1
Rys. 1. Wizualizacja reaktora. 1 - płytka ze
szczeliną wyładowczą, 2 - przegrody
dielektryczne, 3 - elektrody.
Rys. 2. Wpływ wyładowania barierowego
na obecność grup funkcyjnych na
powierzchni polietylenu
Słowa kluczowe: wyładowanie barierowe, modyfikacja powierzchni, polietylen
Bibliografia:
1.
2.
A. Kordus, Plazma - właściwości i zastosowanie w technice. Warszawa, 1985.
M. Żenkiewicz, Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw
wielkocząsteczkowych, WNT, Warszawa, 2000.
15
Inżynieria molekularna
katalizatorów
16
Badania in situ kalcynacji blachy kantalowej używanej
do formowania nośników strukturalnych
1
2
3
A. Knapik , P. Jodłowski , A.Kołodziej , J. Łojewska
1*
1
Uniwersytet Jagielloński, Wydział Chemii, Kraków
Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej
3
Instytut Inżynierii Chemicznej PAN Gliwic
2
Celem badań była optymalizacja warunków kalcynacji blachy kantalowej
i oceny wpływu składu i struktury powierzchni na aktywność materiałów
katalitycznych. Pomimo dość powszechnego wykorzystywania stopu FeCrAl jako
nośnika katalizatorów, opis struktury powierzchni kalcynowanej blachy wydawał
się wciąż niewystarczający.
W toku przeprowadzonej analizy AFM/Raman kalcynowanej blachy,
wykazano wysoką niejednorodność chemiczną oraz strukturalną tego materiału,
a także jego niestabilność wywołaną zmianami temperatury. Wyniki
ramanowskiej analizy in situ po raz pierwszy wykonanej w wysokiej temperaturze
o
(1000 C) wskazują, że podczas utleniania nośnika, na jego powierzchni
w zależności od warunków może dojść do utworzenia różnych związków i ich
faz. Można wśród nich wymienić: α-Al2O3, γ-Al2O3, mieszaninę θ,δ-Al2O3, jak
również α-Fe2O3 oraz Fe3O4. Zwykle, końcowym produktem kalcynacji nośnika
powinna być warstwa -Al2O3, czasem z domieszką θ,δ-Al2O3, oraz niewielkimi
wtrąceniami -Fe2O3. Ciekawym rezultatem okazały się wyniki badań
wykonanych w sprzężeniu AFM/Raman, według których na powierzchni
kalcynowanego nośnika zlokalizowano głównie γ-Al2O3 z domieszką θ,δ-Al2O3
oraz hematyt. Wyniki te stawiają w nowym świetle dane literaturowe.
Rys. 1. Mapy utlenionej blachy kantalowej otrzymane metodą sprzężenia dwóch
mikroskopów AFM i Ramana
Słowa kluczowe: in situ
kalcynacja
Raman, analiza AFM/Raman, blacha kantalowa,
17
Synteza, aktywacja i regeneracja katalizatora kobaltowopalladowego do utleniania metanu
1
1
1
Ewelina Piwowarczyk ,Magdalena Chrzan , Damian Chlebda ,
2
1
Przemysław Jodłowski , Joanna Łojewska
1
Wydział Chemii, Uniwersytet Jagielloński, Ingardena 3, 30-060 Kraków, Polska
Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska, Warszawska 24,
31-155 Kraków, Polska
2
Metan uważany jest za podstawowy gaz cieplarniany, odpowiedzialny za
notowany wzrost średniej temperatury na Ziemi.[1].
Najwygodniejszym sposobem na redukcję emisji metanu jest katalityczne
spalanie. Stosowane do tej pory w dopalaniu metanu katalizatory oparte na
metalach szlachetnych wykazują bardzo dużą aktywność katalityczną i wydają
się być niezastąpione. Katalizatory oparte na tlenku palladu są najczęściej
stosowane i zostały szeroko opisane w literaturze [2,3].Jednakże, ze względu na
ich wysoką cenę i wyczerpujące się źródła metali ziem rzadkich, poszukiwane są
alternatywne, tańsze katalizatory Odnotowano, że dużą aktywnością
charakteryzują się systemy mieszanych tlenków metali.
Z przeprowadzonych przez nas badań wynika, że katalizator kobaltowy
z niewielką domieszką palladu wykazał wyższą aktywność, niż jego odpowiednik
składający się z czystego tlenku palladu. Na podstawie wyników można
wnioskować, że wyżej wymieniony katalizator może być dobrą alternatywą dla
stosowanych do tej pory katalizatorów.
Celem przeprowadzonych badań jest poznanie mechanizmu rządzącego
aktywacją i regeneracją katalizatora kobaltowo palladowego w celu zrozumienia
korelacji pomiędzy strukturą i aktywnością tego katalizatora.
Słowa kluczowe: spalanie metanu, testy starzeniowe, katalizatory, tlenki metali,
Bibliografia:
1.
2.
3.
C. Devals, A. Fuxman, F. Bertrand,J. F. Forbes,2 M. Perrier and R. E. Hayes ,
Enhanced Model Predictive Control of a Catalytic Flow Reversal Reactor, Can. J.
Chem. Eng, Volume 87 (2009), 620–631
J. H. Lee, D, L. Trimm Catalytic combustion of methane, Fuel Processing Technology
42 (1995), 339-359
X. Wang, Y. Xie, Deep Oxidation of Methane Over Manganese Oxide Modified by Mg,
Ca, Sr and Ba Additives Reaction Kinetics and Catalysis Letters 71 (2000), 263-271
18
Badania in situ FTIR centrów aktywnych typowych
nośników używanych w katalizie
1
1
1
Magdalena Chrzan , Ewelina Piwowarczyk , Damian Chlebda ,
1
2
1
Magdalena Kasza , Przemysław Jodłowski , Joanna Łojewska
1
Zespół Kinetyki Reakcji Heterogenicznych, Zakład Chemii Nieorganicznej, Wydział
Chemii, Uniwersytet Jagielloński
2
Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska
Chemia powierzchni tlenków ma ogromne znaczenie i jest obiektem wielu
badań w ostatnich latach z uwagi szeroką możliwość zastosowań materiałów
tlenkowych w katalizie heterogenicznej. Kluczową sprawą w ocenie aktywności
katalizatorów jest poznanie ich struktury powierzchni, a dokładniej,
powierzchniowych centów aktywnych, na których w istocie przebiega reakcja
chemiczna. Najbardziej odpowiednim sposobem pomiaru centrów aktywnych
katalizatora jest zastosowanie metod spektroskopowych in situ z wykorzystaniem
cząsteczek sond [1]. Spektroskopia w podczerwieni, przede wszystkim
sprzężenie techniki FTIR z sorpcją odpowiednich cząsteczek sond pozwala na
bliższe poznanie natury powierzchni badanych katalizatorów. Metanol, jako
cząsteczka sonda, z uwagi na jego dużą reaktywność z tlenkami metali,
dostarcza informacji o centrach aktywnych, umożliwiając określenie ich rodzajów
i właściwości, a co za tym idzie, pozwala określić związek pomiędzy strukturą
i aktywnością katalizatora. Punktem wyjścia w rozumieniu tej korelacji
w rozmaitych układach tlenkowych typu katalizator nośnik jest poznanie centrów
aktywnych samych nośników.
Badania in situ FTIR centrów aktywnych typowych nośników tlenkowych
stosowanych w katalizie Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, CeO2 z zastosowaniem
metanolu jako cząsteczki sondy pozwoliły na jakościową ocenę rodzajów
centrów aktywnych na badanych nośnikach. Analiza widm wykazała
zróżnicowanie
rodzajów
powierzchniowych
centrów
aktywnych
dla
poszczególnych katalizatorów tlenków metali. Otrzymane wyniki nie zawsze
pokrywają się z informacjami na temat centrów aktywnych tych tlenków
zaczerpniętymi z literatury.
Słowa kluczowe: centra aktywne, spektroskopia FTIR, chemisorpcja metanolu,
tlenki nośnikowe
Bibliografia:
1.
M. Badlani, I. E. Wachs, “Methanol : a 'smart’ chemical probe molecule”, Catalysis
Letters, vol. 75, no. 3, 2001, str. 137-149
19
Badania in situ reakcji utleniania metanu
1
1
1
Damian K. Chlebda , Magdalena Chrzan , Ewelina Piwowarczyk ,
2
1
Przemysław J. Jodłowski , Joanna Łojewska
1
Uniwersytet Jagielloński, Wydział Chemii, ul. Ingardena 3, 30-060 Kraków
Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Warszawska 24,
31-155 Kraków
2
Katalityczne dopalanie lotnych związków organicznych w ostatnich latach jest
przedmiotem intensywnych badań naukowców. Ponieważ katalizatory
powszechnie wykorzystywane w przemyśle, jako główny element aktywny
zawierają metale szlachetne (np. platynę czy pallad) obecne badania dążą do
minimalizacji udziału ww. metali oraz do budowy katalizatorów opartych na
powszechnie dostępnych składnikach (a tym samym redukcji ceny końcowej
katalizatora) [1]. Pożądana cecha katalizatora to głównie wysoka aktywność
katalityczna. Obecne katalizatory są bardzo podatne na zatrucie w przypadku
niewłaściwie prowadzonego procesu spalania i wytwarzania przy tym ubocznych
produktów dopalania. Tym samym ich użycie wymaga wstępnej analizy gazów
i eliminacji czynników mogących obniżyć aktywność katalizatora. Pomimo wielu
lat intensywnych badań mechanizm dopalania węglowodorów, prowadzonego na
złożu katalizatora, nie jest do końca poznany [2,3]. Dyskutowane obszernie
w literaturze różne mechanizmy (ścieżki reakcji według Langmuir-Hinshelwooda,
Marsa van Krevelena czy Eley-Rideala muszą znaleźć potwierdzenie poprzez
badania powstających produktów pośrednich podczas procesu dopalania
węglowodorów. Powierzchnia katalizatora oraz jej ewolucja podczas trwania
procesu dopalania, jak i zmian temperatury, badana jest z wykorzystaniem
metod spektroskopowych in-situ i operando. Metody te obecnie stają się
standardem, w tego rodzaju badaniach powierzchni. Dodatkowe metody, które
potrafią ułatwić analizę skomplikowanego widma, są więc bardzo pożądane.
Celem pracy było zastosowanie uogólnionej dwuwymiarowej spektroskopii
korelacyjnej do opisu dynamiki utleniania węglowodorów w warunkach tlenowych
i beztlenowych na wybranych katalizatorach metalicznych zawierających m.in.
cer i kobalt.
Słowa kluczowe: spektroskopia korelacyjna, metan, metale przejściowe
Bibliografia:
1.
2.
3.
I. Chorendorff, J.W. Niemantsverdriet, Concepts of Modern Catalysis and Kinetics;
2003.
R. Imbihl, R.J. Behm, R. Schlögl, Bridging the pressure and material gap in
heterogeneous catalysis., Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9 (27), 3459.
R. Schloegl, R.C. Schoonmaker, M. Muhler, G. Ertl, Catal. Bridging the “material gap”
between single crystal studies and real catalysis, Letters 1988, 1 (6-7), 237–241.
20
Analiza XPS elektrokatalitycznie aktywnych
warstw rutenowych poddanych utlenianiu i redukcji
w module Cat-Cell spektrometru Kratos AXIS Ultra
Jacek Balcerzak
Cienkie warstwy tlenków rutenu (RuOx) zyskują coraz większe uznanie jako
potencjalne, wydajne i trwałe katalizatory dla ogniw paliwowych i reaktorów
rozszczepiania wody na wodór i tlen. Ciągle jednak nasza wiedza dotycząca
struktury molekularnej takich układów jest dość ograniczona.
Celem proponowanych badań była szczegółowa analiza spektralna struktury
chemicznej na poziomie molekularnym warstwy RuOx poddawanej procesom
utleniania i redukcji w kontrolowanych warunkach w celi katalitycznej
spektrometru XPS.
Do wytworzenia warstw techniką depozycji plazmowej (PEMOCVD) użyto
ciekłego prekursora metaloorganicznego: bis(etylcyklopentadienyl)rutenu (II)
(C7H9RuC7H9). Warstwy wytwarzane były w wyładowaniu RF - 13,56 MHz i mocy
60W, pod ciśnieniem 3,5–4,5 Pa. Gazem nośnym była mieszanina 0,71 sccm
argonu i 0,085 sccm tlenu, a czas nakładania wynosił 2h. Podłoże do badań
strukturalnych stanowiła kalcynowana blaszka kantalowa.
Blaszkę kantalową z nałożoną warstwą katalizatora rutenowego
umieszczano w celi katalitycznej Cat-Cell spektrometru fotoelektronów Kratos
o
AXIS Ultra w warunkach omywania czystym tlenem w temperaturze 200 C,
o
o
400 C oraz 600 C, każdorazowo analizując warstwę katalizatora techniką XPS
bez ekspozycji próbki na powietrze atmosferyczne. Następnie wykonano próbę
redukcji otrzymanych tlenków rutenu, omywając próbkę wodorem
w temperaturze pokojowej (moduł Cat-Cell).
Ważnym rezultatem badań była jedna z pierwszych interpretacji złożonego
pasma XPS Ru 3d i odniesienie jej do ostatnich wyników innych autorów [1].
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki
przyznanych na podstawie decyzji numer: DEC-2012/07/B/ST8/03670.
Słowa kluczowe: tlenki rutenu, depozycja plazmowa, XPS, Cat-Cell
Bibliografia:
1.
R. Bavand i inni, X-ray photoelectron spectroscopic and morphologic studies of Ru
nanoparticles deposited onto highly oriented pyrolytic graphite, Applied Surface
Science, 355 (2015) str. 279-289.
21
Nanostrukturalny fotokatalizator a III Wojna Światowa
Dobiesław Nazimek
Katedra Energetyki i Pojazdów, Wydział Inżynierii Produkcji, UP w Lublinie, 20-628 Lublin,
ul. Głęboka 28.
Zastosowanie fotokatalizy do utylizacji CO2 pozwala na przekształcenie gazu
cieplarnianego w użyteczny produkt jakim jest CH3OH czy CH4 [1]. Proponuje się
[2] połączenie elektrolizy wody z fotoredukcją CO2. W niniejszej pracy
przedstawiono skład wydajnego fotokatlizarora tej reakcji oraz sposób jego
pozyskiwania. Zawieszenie katalizatora na ścianie rury reaktora, spowodowało
wytworzenie przeźroczystego ośrodka wodnego a poprzez to na uzyskania
większej efektywności promieniowania UV [3]. W tabeli 1 zestawiono dane
dotyczące właściwości fizykochemicznych katalizatora naściennego opisanego
w pracy [3].
Tabela 1. Katalizator do procesu AP [3].
Podstawa
układu
Pierwsza
warstwa
Warstwa
pośrednia
(geter)
Al (99,98%)
Al2O3
TiO
TiO2
Ru
WO3
200 µm
250µm
78,3 % wag.
0,7 %
wag.
11% wag.
anataz
heksagonalna
regularna
4-7 nm
3,5 nm
8 nm
Stężenie
lub
grubość
Czynnik
Aktywator Modyfikator
podstawowy
Struktura
Wielkość
krystalitów
8-10 nm
8-10 nm
W pracy zaprezentowano również ewentualne militarne skutki
pozyskiwania paliw syntetycznych z CO2 oraz H2O.
technologii
Słowa kluczowe: nanotechnologia, fotokataliza, sztuczna fotosynteza
Bibliografia:
1.
2.
3.
Ch.-Ch. Lo, Ch.-H. Hung, Ch.-Sh. Yuan, J.-F. Wu, Sol. En. Mat. & Sol., Cell. 91 (2007)
1765.
J. Grodkowski, T. Dhanasekaran, P. Neta, P. Hambright, B. S. Brunschwig, K.
Shinozaki, E. Fujita, J. Phys. Chem., A, 104, No 48 (2000) 11332.
D. Nazimek, B. Czech, Photocatalytic reduction of CO2 towards methanol, IOP Conf.
Series. Materials Sci. and Engineering, 19(2011) 012010.
22
Wykorzystanie procesów fotokatalitycznych
do usuwania zanieczyszczeń w fazie gazowej
Kinga Skalska
Katedra Inżynierii Środowiska, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska,
Zjawisko fotokatalizy jest znane od lat 60-tych XX wieku, od tego czasu
przeprowadzono szereg badań dotyczących możliwości wykorzystania procesów
fotokatalitycznych w inżynierii środowiska do usuwania zanieczyszczeń w fazie
ciekłej i gazowej. W niniejszej pracy przedstawiony zostanie rozwój technik
usuwania zanieczyszczeń z fazy gazowej przy zastosowaniu fotokatalizatorów
na bazie ditlenku tytanu. Opisane zostanie zastosowanie fotokatalizy do
oczyszczania powietrza atmosferycznego, powietrza w pomieszczeniach oraz
możliwości zastosowania procesu fotokatalizy do oczyszczania gazów
odlotowych.
Tlenki azotu to jedne z najistotniejszych zanieczyszczeń powietrza.
Ich obecność w atmosferze jest związana z występowaniem poważnych
problemów środowiskowych, tj. kwaśne deszcze, smog fotochemiczny, itp.
Ponadto NOx (NO i NO2) są związkami szkodliwymi dla zdrowia ludzi i zwierząt.
Omówione zostaną możliwości oraz problemy związane z zastosowaniem
fotokatalizy w procesach usuwania NOx z atmosfery oraz gazów odlotowych.
Przedstawione zostaną wyniki badań własnych oraz dostępnych w literaturze
dotyczących fotokatalitycznego utleniania tlenków azotu na katalizatorach
modyfikowanych metalami szlachetnymi. Monotlenek azotu w ilości 50, 150 oraz
250 ppm utleniano fotokatalitycznie w reaktorze przepływowym w obecności
katalizatorów na bazie TiO2 modyfikowanych metalami szlachetnymi (Pt, Pd, Au,
Ag). Przeprowadzono analizę XPS, XRD, BET oraz TEM badanych
katalizatorów. Otrzymane wyniki pozwaliły wyselekcjonować spośród
domieszkowanych materiałów, katalizator o największej przydatności do
prowadzenia procesu utleniania NO do NO2 (t.j. Au 0.1 TiO2). Porównano
wydajność
procesu
fotokatalitycznego
utleniania
NO
(100
ppm)
z wykorzystaniem materiałów: P25 oraz Au 0.1 w zależności od wilgotności
gazów reakcyjnych. Badania te wykazały, że istnieje optymalna zawartość
wilgoci w gazach reakcyjnych sprzyjająca procesowi utleniania NO do NO 2.
Ponadto przeprowadzono analizy ATR online pozwalające zidentyfikować grupy
powierzchniowe powstające na powierzchni fotokatalizatorów w trakcie procesu
naświetlanie.
Słowa kluczowe: fotokataliza, tlenki azotu, zanieczyszczenie powietrza
23
Wytwarzanie cienkich warstw katalitycznych metodą
nakładania plazmowego oraz ich zastosowanie
w procesie dopalania lotnych węglowodorów
1
2
3
Ryszard Kapica , Joanna Łojewska , Andrzej Kołodziej ,
1
Jacek Tyczkowski
1
2
Zespół Kinetyki Reakcji Heterogenicznych, Wydział Chemii, Uniwersytet Jagielloński
3
Instytut Inżynierii Chemicznej PAN, Gliwice
Lotne węglowodory należące do grupy lotnych związków organicznych (LZO)
stanowią duże zagrożenie dla środowiska, a w szczególności dla zdrowia ludzi.
Dlatego też prowadzone są intensywne prace związane z opracowaniem
odpowiednich metod ich utylizacji. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków
rozwoju jest proces dopalania katalitycznego. Problem, jaki się pojawia, to małe
stężenia LZO w dużych strumieniach gazu. Rozwiązaniem są katalizatory
osadzane na podłożach strukturalnych zapewniających bardzo dobre
współczynniki transportu ciepła i masy. Jednak i tutaj pojawia się problem
związany z nanoszeniem katalizatora na powierzchnię nośnika bez zmiany jego
ściśle zdefiniowanej geometrii. Rozwiązaniem tego problemu jest depozycja
plazmowa bardzo cienkich warstw z par prekursorów metaloorganicznych.
Wykonano szereg katalizatorów w postaci tlenków kobaltu oraz tlenku
kobaltu domieszkowanego miedzią z wykorzystaniem prekursorów takich, jak
bis(acetyloacetonian) miedzi II (Cu(acac)2) oraz dikarbonylocyklopentadienyl
kobaltu I (CpCo(CO)2). Badania strukturalne przeprowadzone z wykorzystaniem
spektroskopii Ramana, XPS, mikroskopii elektronowej SEM oraz TEM
wytworzonych katalizatorów dostarczyły informacji o wielkości ziaren, składzie
oraz strukturze chemicznej uzyskiwanych warstw.
Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników testów katalitycznych
prowadzonych w reaktorze bezgradientowym Micro-Berty firmy AutoClave
Engineers w modelowej reakcji dopalania n-heksanu. Udowodniono, że tlenki
kobaltu, a w szczególności spinel kobaltowy Co 3O4, są bardzo dobrymi
katalizatorami
charakteryzującymi
się
niskimi
energiami
aktywacji.
Domieszkowanie takich struktur za pomocą miedzi prowadzi do dalszego
obniżenia energii aktywacji oraz temperatury inicjacji procesu.
Słowa kluczowe: plazmowa depozycja, nanokatalizatory, tlenki kobaltu,
dopalanie katalityczne LZO
24
Wytwarzanie nanokatalizatorów metodą depozycji
plazmowej i badania ich aktywności w reakcji
metanizacji CO2
Piotr Tracz, Wiktor Redzynia, Hanna Kierzkowska-Pawlak,
Jacek Tyczkowski
Jedną z najbardziej obiecujących chemicznych metod konwersji odpadowego
CO2 jest jego katalityczne uwodornienie do metanu. Nowe rozwiązania
w zakresie wytwarzania i zastosowania niekonwencjonalnych materiałów
katalitycznych, umożliwiających wydajne prowadzenie reakcji metanizacji CO2
w niskich temperaturach stwarzają realne możliwości dla zastosowań tego
procesu w skali przemysłowej.
Katalizatory w formie nanostrukturalnej charakteryzują się lepszą
aktywnością, stabilnością oraz wyższą selektywnością niż katalizatory klasyczne.
Szczególne miejsce wśród nich zajmują nanokatalizatory wytwarzane metodą
nakładania plazmowego cienkich warstw z par związków metaloorganicznych.
Technika ta daje niezwykle szerokie możliwości kontrolowania składu i struktury
wytwarzanych materiałów cienkowarstwowych. Ma to szczególne znaczenie
w przypadku poszukiwania nowych materiałów nanokatalitycznych.
Celem prowadzonych badań było wytworzenie cienkich warstw
nanokatalizatorów techniką depozycji plazmowej w oparciu o tlenki metali
przejściowych (Co, Ru, Fe) na powierzchnie ustrukturyzowanych nośników
metalowych (wire gauzes). Ten typ nośnika wymaga skutecznej i precyzyjnej
metody nanoszenia substancji katalitycznej w postaci bardzo cienkich warstw,
aby zapewnić zachowanie oryginalnej geometrii wypełnienia. Następnie zbadano
aktywność katalityczną otrzymanych układów w reakcji metanizacji CO2. Proces
uwodornienia prowadzony był w bezgradientowym reaktorze przepływowym
w zakresie temperatur od 150 do 500°C pod ciśnieniem atmosferycznym.
Reagenty doprowadzano do reaktora stosunku molowym 4:1 (H 2:CO2).
Podstawą do oceny zdolności i aktywności katalitycznej badanych warstw
nanokatalizatorów było określenie stopnia konwersji CO 2, selektywności
wytwarzania metanu i szybkości reakcji w zależności od parametrów procesu.
Testy kinetyczne wykazały wysoką aktywność katalityczną nanokatalizatorów
na bazie tlenków kobaltu i rutenu. Stopniowy spadek ich aktywności podczas
pomiarów wynika z redukcji formy tlenkowej substancji aktywnej do postaci
metalicznej. Powtórna kalcynacja pozwoliła na przywrócenie pierwotnych
właściwości katalitycznych.
Słowa kluczowe: metanizacja CO2; nanokatalizatory; depozycja plazmowa
25
Nanomateriały dla źródeł
i akumulatorów energii
26
Kondensatory elektrochemiczne
Grzegorz Lota
Poznańska
Zapotrzebowanie rynku na systemy energii o dużej wydajności, a także
kończące się zasoby paliw kopalnych doprowadziły do szybkiego rozwoju takich
źródeł energii jak akumulatory litowo-jonowe, ogniwa fotowoltaiczne czy
kondensatory elektrochemiczne.
Kondensatory elektrochemiczne (superkondensatory) to atrakcyjne źródła
energii elektrycznej charakteryzujące się szczególnie wysoką gęstością mocy
i doskonałą pracą cykliczną. Działanie ich polega na magazynowaniu energii
w wyniku ładowania podwójnej warstwy elektrycznej na granicy faz
elektroda/elektrolit. Dlatego też materiały węglowe są najczęściej używanym
materiałem elektrodowym do budowy kondensatora elektrochemicznego.
Charakteryzują się dobrze rozwiniętą powierzchnią właściwą, dobrym
przewodnictwem, dającą się kontrolować porowatością, różnymi formami
występowania, hydrofilowo/hydrofobowym charakterem oraz różnorodnym
składem i zawartością grup funkcyjnych [1,2].
Pomimo wysokiej ceny ograniczającej aplikacyjność kondensatorów bardzo
szybko wkraczają na rynek. Zasada działania kondensatora polega na
wspomaganiu pracy innych źródeł energii, wrażliwych na obciążenia dużymi
wartościami prądu (ogniwa litowo-jonowe, akumulatory kwasowo-ołowiowe,
ogniwa paliwowe i inne). Pełnią w ten sposób funkcję ochronną przed
uszkodzeniem ogniwa. Z uwagi na niską wartość gęstości energii rzadko są
wykorzystywane jako samodzielne źródło energii elektrycznej, natomiast
z powodzeniem mogą zabezpieczać akumulatory przed niekorzystnym wpływem
obciążeń szczytowych. Wzrost zainteresowania kondensatorami związany jest
z unormowaniami prawnymi w zakresie ochrony środowiska i koniecznością
ograniczenia zużycia nieodnawialnych źródeł energii oraz emisji szkodliwych
gazów.
przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2013/10/E/ST5/00719.
Słowa
kluczowe:
pseudopojemność
kondensator
elektrochemiczny,
węgiel
aktywny,
Bibliografia:
1.
2.
B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors - Scientific Fundamentals and
Technological Applications, Kluwer Academic, New York, 1999
F. Béguin, E. Frackowiak
(Ed.), Supercapacitors: Materials, Systems and
Applications. Wiley-VCH, Weinheim, 2013
27
Wpływ modyfikacji materiałów węglowych na
pojemność kondensatorów elektrochemicznych
1
2
Łukasz Kolanowski , Jacek Tyczkowski , Grzegorz Lota
1
1
Poznańska
2
Kondensatory
elektrochemiczne
są
urządzeniami
służącymi
do
magazynowania energii w wyniku ładowania podwójnej warstwy elektrycznej na
granicy faz elektroda/elektrolit.. Z uwagi na wysokie przewodnictwo do budowy
elektrod wykorzystywane są najczęściej materiały węglowe o dużej powierzchni
właściwej.
Prowadzone są nieustannie prace badawcze mające na celu modyfikację
materiałów węglowych pod kątem ich zastosowania w kondensatorach
elektrochemicznych. Jednym z ważniejszych kierunków tych badań jest
wytworzenie na powierzchni węgli dodatkowych grup funkcyjnych zawierających
heteroatomy. W wyniku zachodzących dodatkowych reakcji redoks na granicy
faz elektroda/elektrolit z udziałem wspomnianych grup funkcyjnych następuje
wzrost pojemności układu (tzw. efekt pseudopojemnościowy). Jedną z metod
jest modyfikacja plazmą, opisana w literaturze [1-3].
Metoda modyfikacji niskotemperaturową plazmą jodową zmienia parametry
fizykochemiczne materiałów węglowych. Badania elektrochemiczne wykazały
wzrost pojemności kondensatora elektrochemicznego pracującego na bazie
materiału modyfikowanego [3].
przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2013/10/E/ST5/00719.
Słowa
kluczowe:
superkondensatory,
niskotemperaturowa plazma
efekt
pseudopojemnościowy,
Bibliografia:
1.
2.
3.
G. Lota, J. Tyczkowski, R. Kapica, K. Lota, E. Frackowiak, Carbon materials modified
by plasma treatment as electrodes for supercapacitors, J. Power Sources, 195,
(2010), 7535-7539
G. Lota, K. Lota, R. Kapica, J. Tyczkowski, K. Fic, E. Frackowiak, Influence of Plasma
Treatment on Hydrogen Electrosorption Capacity by Carbon Electrodes, Int. J.
Electrochem. Sci., 10, (2015), 4860-4872
G. Lota, J. Tyczkowski, P. Makowski, J. Balcerzak, K. Lota, I. Acznik, D. PęziakKowalska, Ł. Kolanowski, The modified activated carbon treated with a lowtemperature iodine plasma used as electrode material for electrochemical capacitors,
Mater. Lett., 175, (2016), 96-100
28
Elektrokatalizatory o budowie przestrzennej (3D)
Łukasz Jóźwiak, Jacek Balcerzak, Jacek Tyczkowski
Istotą działania elektrokatalizatora jest przyspieszenie wymiany ładunków
w reakcjach redukcji–utleniania. Interesujące nas zjawiska przebiegają na
powierzchni elektrokatalizatora. Im większa jest powierzchnia wymiany ładunku
tym większe gęstości prądu można otrzymać. Jednak nawet w przypadku
znacznego rozwinięcia powierzchni, warunkiem sprawnego działania samego
systemu pozostaje dobre jego przewodnictwo elektronowe oraz zapewnienie
odpowiedniego transportu masy do jego powierzchni.
Naturalną odpowiedzią na powyższe założenia są elektrokatalizatory
osadzone na strukturalnym przestrzennym i sztywnym nośniku będącym
jednocześnie dobrym przewodnikiem elektronowym posiadającym nanoporowatą
strukturę. Jedną zaś z koncepcji wykonania takiego układu jest kodepozycja
plazmowa z mieszaniny prekursorów właściwego katalizatora oraz nośnika
strukturalnego.
Utworzona plazmowo struktura katalizatora przestrzennego powinna
charakteryzować się mniejszą średnicą porów i większym rozproszeniem ziaren
katalizatora w stosunku do elektrokatalizatorów dystrybuowanych np. poprzez
mechaniczne osadzanie zawiesin. Większe rozproszenie na powierzchni
przewodzących porów prowadzi do lepszego wykorzystania elektrokatalizatora
i daje możliwości minimalizacji jego masy z utrzymaniem liczby przenoszonego
ładunku w czasie.
W prezentacji omówione będą podstawowe założenia molekularnej
konstrukcji elektrokatalizatorów typu 3D oraz przedstawione zostaną wstępne
wyniki dotyczące wytwarzania i struktury układu otrzymanego w wyniku
depozycji plazmowej z mieszaniny akrylonitrylu i dikarbonylocyklopentadienylkobaltu I.
Słowa kluczowe: inżynieria molekularna, elektrokataliza, katalizatory 3D,
kodepozycja plazmowa
29
Zastosowanie wyładowania z barierą dielektryczną do
wytwarzania wodoru z bioetanolu
1
1
1
Bogdan Ulejczyk , Magdalena Zbrowska , Dorota Bala ,
2
1
1
Łukasz Nogal , Michał Młotek , Krzysztof Krawczyk
1
Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny, Politechnika Warszawska
2
Wodór jest uważany za paliwo przyszłości. Jego źródłem może być
bioetanol, wytwarzany z biomasy. Dotychczas nie została opracowana skuteczna
i opłacalna metoda przetwarzania bioetanolu w wodór.
W niniejszej pracy zaprezentowane są wyniki otrzymywania wodoru
z mieszaniny bioetanolu i wody w reaktorze wyładowania z barierą dielektryczną
zasilanym prądem impulsowym. Produktami reakcji bioetanolu z wodą były: H 2,
CH4, CO, CO2, C2H4 i C2H6 (Rys. 1). Produkcja wodoru i efektywność
energetyczna jego otrzymywania wzrastały wraz ze wzrostem natężenia
przepływu substratów (Rys. 1 i 2). W trakcie procesu obserwowano także wzrost
strumieni pozostałych produktów. Selektywność przemiany bioetanolu w H 2
wynosiła 48,7-51,7%.
Rys. 2. Efektywność energetyczna
otrzymywania wodoru.
Stosunek molowy C2H5OH/H2O=1.
Moc wyładowania 3,9 W
Rys. 1. Strumienie produktów.
Stosunek molowy C2H5OH/H2O=1.
Moc wyładowania 3,9 W
Praca została sfinansowana przez Politechnikę Warszawską
Słowa kluczowe: wodór, bioetanol, plazma, wyładowanie barierowe
30
Nanostrukturalne elektrody elektrochemiczne
z amorficznych szkliw germanowęglowych
wytwarzane w plazmie niskotemperaturowej
Jan Sielski, Piotr Kazimierski, Artur Kubiczek, Jacek Tyczkowski
Warstwy
amorficznych
uwodornionych
szkliw
germanowęglowych
(a-GexCy:H) wytwarzane w plazmie niskotemperaturowej w zależności od
parametrów procesu mogą wykazywać własności amorficznych izolatorów (a-I),
bądź też amorficznych półprzewodników (a-S). Warstwy wytwarzane w obszarze
przejściowym charakteryzują się strukturą nano-ziaren półprzewodnika
zawieszonych w matrycy izolatora. Ziarna półprzewodnika po przekroczeniu
progu perkolacji tworzą trójwymiarową półprzewodzącą elektrycznie sieć
zbudowaną z nanofilamentów. Powierzchnia takich materiałów pokryta jest
ciasno
upakowanymi
nano-wyspami
półprzewodnika
(zakończenia
nanofilamentów) rozdzielonymi obszarami izolatora.
Celem pracy było jednoczesne zobrazowanie topografii powierzchni
i przewodnictwa elektrycznego takich warstw. Badania te wykonano za pomocą
mikroskopu sił atomowych (AFM) Nanoscope III d firmy Veeco wyposażonego
w przystawkę Extended Tuna (zakupioną do tych badań). Warstwy do badań
wytwarzano w niskotemperaturowej plazmie RF (13,56 MHz). Badany materiał
w postaci cienkiej warstwy, grubości około 200 nm, naniesionej na złotą
elektrodę skanowano przy różnych wartościach napięcia pomiędzy tą elektrodą
a igłą AFM. Skład pierwiastkowy wytworzonych materiałów, oznaczony techniką
EDX, wykazał zawartość 60% atomów węgla oraz 40% atomów germanu.
Przeprowadzone badania AFM potwierdziły rozmieszczenie przewodzącej
fazy, na powierzchni materiału, w postaci izolowanych nano-wysp. Wykazano, że
skanowanie powierzchni z potencjałem przyłożonym do elektrody pod warstwą,
prowadzi do reakcji redox, zachodzących na powierzchni nano-wysp.
Przyłożenie potencjału ujemnego do złotej elektrody powodowało zamykanie
kanałów przewodzących wskutek zjawiska redukcji, proces ten był jednak
odwracalny. W przypadku skanowania z potencjałem dodatnim powierzchnia jest
nieodwracalnie utleniana, w wyniku czego widoczne jest w obrazie topografii
uniesienie tego obszaru o około 1 nm.
Słowa kluczowe: uwudornione warstwy germanowęglowe, nanostruktura,
reakcje redox
31
Kataliza plazmowa
32
Procesy katalityczne i skojarzone plazmowekatalityczne w procesach chemicznych
Krzysztof Krawczyk, Bogdan Ulejczyk, Michał Młotek
Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska
Mimo licznych rozwiązań technicznych i zakazu stosowania niektórych
rozpuszczalników, emisja szkodliwych gazów do atmosfery w procesach
przemysłowych jest nadal duża. Dotyczy to szczególnie lotnych związków
organicznych (VOC), podtlenku azotu i metanu.
Najważniejszym
problemem
w
procesach
rozkładu
szkodliwych
zanieczyszczeń jest ich niskie stężenie w oczyszczanych gazach, dlatego w celu
uniknięcia nadmiernego zużycia energii, proces ich rozkładu powinien być
prowadzony w niskich temperaturach. Warunki takie łatwo można uzyskać
w niektórych wyładowaniach elektrycznych np. w nierównowagowej plazmie
wyładowania ślizgowego. Wyładowanie to może być z powodzeniem
zastosowane do rozkładu szczególnie trwałych zanieczyszczeń występujących
w gazach przemysłowych. Procesy plazmowego oczyszczania gazów mogą być
prowadzone dla wysokich natężeń przepływu gazu zawierającego różne
początkowe stężenia usuwanej substancji.
Badania rozkładu trwałych związków chemicznych w plazmie nierównowagowej wyładowania ślizgowego prowadzono w reaktorach laboratoryjnych
i w wielkolaboratoryjnych.
W plazmie nierównowagowej wyładowania ślizgowego zachodzi częściowe
utlenianie N2O do NO, który może być następnie wykorzystany do produkcji
kwasu azotowego. Obserwowano również korzystny wpływ rozwiązania
polegającego na skojarzeniu plazmy wyładowania ślizgowego z działaniem
katalizatorów na przebieg procesu rozkładu podtlenku azotu, lotnych związków
organicznych, przemianę metanu w wyższe węglowodory oraz rozkład smół
zawartych w gazie po pirolizie biomasy.
Opracowano metodę otrzymywania aktywnego i trwałego katalizatora
kobaltowego (bez promotorów lub z domieszkami z grupy lantanowców), który
pozwala w znaczny sposób zmniejszyć emisję podtlenku azotu w procesie
utleniania amoniaku. Katalizator ten może być stosowany zarówno jako
samodzielne złoże lub w układzie dwustopniowym z siatkami platynoworodowymi.
Praca została sfinansowana przez NCBiR, nr umowy PBS2/A1/10/2013.
Słowa kluczowe: toluen, podtlenek azotu, metan, wyładowanie ślizgowe,
katalizatory
33
Synergistyczne oddziaływanie między plazmą
i katalizatorem
Longin Chruściński
Niskotemperaturowa plazma zastosowana w reaktorach plazmowych
z
katalizatorem
powoduje
modyfikację
katalizatorów
stosowanych
w heterogenicznej katalizie gazów, jak konwersja CO2, reforming węglowodorów,
dopalanie gazów VOC. Prace [1-4] wykazały, że plazma oddziaływująca
z katalizatorem powoduje wystąpienie dodatkowych efektów zwiększających
wydajność procesów, jak zwiększenie selektywności i szybkości reakcji.
Zjawisko to określone zostało terminem synergia. Są to dodatkowe efekty
występujące tylko w przypadku połączenia działania plazmy z katalizatorem.
Suma efektów jest większa niż w przypadku katalizy bez plazmy i plazmy bez
katalizatora. Synergizm plazmowej katalizy jest złożonym zjawiskiem, które
wynika ze złożoności procesów oddziaływań plazma - katalizator. Oddziaływania
te można podzielić na dwie grupy. W pierwszych, zarówno plazma, jak
i katalizator, niezależnie wpływają na powierzchnię, na której zachodzą procesy.
Składniki plazmy (jony, elektrony, fotony) zmieniają powierzchnię katalizatora.
Katalizator także wpływa na powierzchnię reakcji obniżając próg aktywacji dla
pewnych reakcji. Drugi rodzaj oddziaływań wynika z pewnej współzależności
między plazmą a katalizatorem. Plazma wpływa na właściwości katalizatora,
katalizator na właściwości plazmy. Plazma może modyfikować funkcje pracy
i morfologię katalizatora, zmieniając działanie katalizatora. Właściwości
katalizatora, takie jak stała dielektryczna i jego morfologia, wpływają z kolei na
właściwości plazmy blisko powierzchni, jak dystrybucja pola elektrycznego
i energia elektronów.
Słowa kluczowe: synergia, plazma, kataliza
Bibliografia:
1.
2.
3.
4.
E. C. Neyts, K. Ostrikov, M. K. Sunkara, Plasma Catalysis: Synergistic Effects at the
Nanoscale, Chemical Review, 115, (2015), 13408-13446.
J. Van Durme, J. Dewulf, C. Leys, H. Van Langenhove, Combining non-thermal
plasma with heterogeneous catlysis in wate gas treatment: A review, Applied Catalysis
B: Enviroment, 78, (2008), 324-333.
A. M. Vandenbroucke, R. Morent, N. De Geyter, C. Leys, Non-thermal plasmas for
non-catalytic VOC abatement, Journalof Hazardous Materials, 195, (2011), 30-54.
H. L. Chen, H. M. Lee, S. H. Chen, M. B. Chang, S. J. Yu, S. N. Li, Removal of
Volatile organic Compounds by Single-Stage and Two-Stage Plasma Catalysis
Systems: A Review of the Performance Enhancement Mechanisms, Current Status,
and Suitable Applications, Environment Science and Technology, 43, (2009), 2216
34
Nie pędzlem a plazmą,
czyli różne aspekty
zastosowania plazmy
35
Nepalskie peregrynacje,
czyli plazma w cieniu Himalajów
Andrzej Huczko
Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów, Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski
W pierwszej części prezentacji przedstawiony zostanie krótko zakres prac
badawczych grupy plazmowej prowadzonej przez prof. Deepaka Subedi
w School of Science, Kathmandu University (KU), Nepal. Prace te dotyczą
głównie badań nad plazmą nierównowagową generowaną pod ciśnieniem
atmosferycznym (DBD), a także jej ewentualnych zastosowań. Następnie
przedstawione zostaną badania własne prowadzone we współpracy ze
studentami i badaczami z KU, dotyczące syntezy wybranych nanomateriałów
(głównie nanowęgli) przy wykorzystaniu techniki syntezy spaleniowej. Choć nie
wykorzystuje ona wyładowań elektrycznych, to ma z plazmą wiele wspólnego:
realizowane reakcje chemiczne przebiegają w warunkach odbiegających od
równowagowych, zaś ich temperatury sięgają kilku tysięcy K, a więc są zbliżone
do plazmy termicznej. A w końcowej części prezentacji... pokazany będzie
dzisiejszy Nepal – jego ludzie, przyroda i problemy.
Słowa kluczowe: plazma DBD, synteza spaleniowa, nanowęgle, Nepal
36
Mały reaktor, wielkie możliwości – o syntezie
spaleniowej nanomateriałów
Agnieszka Dąbrowska
Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów, Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski
Samorozprzestrzeniająca się synteza wysokotemperaturowa SSW (ang.
SHS; Self-propagating High-temperature Synthesis) [1] jest egzotermicznym,
samopodtrzymującym się procesem typu redox, który może być wykorzystany do
produkcji nowych nanomateriałów (rys. 1). Po zainicjowaniu reakcja przebiega
szybko (od ułamków do kilku sekund) i często w warunkach nierównowagowych
co pozwala na syntezę szeregu produktów o strukturach niemożliwych do
otrzymania innymi metodami. Dobrym przykładem są nanowłókna węglika
krzemu (NWSiC) oraz rozwarstwione materiały grafenopochodne [2]. Mimo
swoich liczych zalet SSW ma kilka poważnych ograniczeń utrudniających jej
zastosowanie na skalę przemysłową, m.in. podatność na zmianę warunków
początkowych oraz niedostateczną znajomość mechanizmu zachodzących
procesów i wynikające stąd trudnośc przy optymalizacji. W celu przezwyciężenia
tych niedogodności prowadzi się badania parametryczne oraz rozwija metody
diagnostyki in situ. Syntezowane nanomaterialy mogą zostać wykorzystane m.in.
jako napełniacze nanokompozytów.
Rys. 1. Reaktory wykorzystywane do syntezy spaleniowej wraz z przykładowymi
produktami i nanokompozytami z napełniaczem NWSiC.
Słowa kluczowe: synteza spaleniowa, nanomateriały, nanokompozyty
Bibliografia:
1.
2.
A. Huczko, M. Szala, A. Dąbrowska, Synteza spaleniowa materiałów
nanostrukturalnych, WUW, Warszawa 2011
A. Huczko, A. Dąbrowska, M. Kurcz, Grafen. Synteza. Właściwości. Zastosowania,
WUW, Warszawa 2016, w druku
37
Potencjalne zastosowania plazmy w inżynierii
środowiska
Sławomir M. Kuberski
Jako zjonizowany gaz cząsteczki plazmy łatwo wchodzą w reakcje z różnymi
substancjami chemicznymi, co pozwala na rozkład związków toksycznych,
modyfikacje struktur polimerowych, niszczenie bakterii i grzybów.. Wolne rodniki,
tlen atomowy oraz inne cząsteczki czy jony wykazują inaktywacyjne właściwości
w stosunku do wielu mikroorganizmów. Pod wpływem plazmy pomiędzy tlenem,
azotem i parą wodną zachodzą reakcje, w których powstają substancje o silnym
działaniu destrukcyjnym i dekontaminującym.
Wśród zastosowań środowiskowych najbardziej zaawansowaną jest
technologia obróbki wody pitnej, w której szkodliwy dla środowiska chlor był
zastępowany ozonem wytwarzanym w wyładowaniach barierowych. Obecnie na
świecie pracuje ponad 3000 instalacji ozonowania wody pitnej,
Inne środowiskowe zastosowania ozonu generowanego w wyładowaniach
barierowych w powietrzu bądź tlenie obejmują: sterylizację powietrza, wody,
gleby, powierzchni i opakowań; usuwanie tlenków azotu (NOx), ditlenek siarki
(SO2), metali ciężkich i lotnych związków organicznych (VOCs) powstających
w procesie malowania, lakierowania, spalania odpadów szpitalnych i innych
procesach chemicznych; recykling i usuwanie zanieczyszczeń, szczególnie
w procesach utylizacji niektórych grup odpadów; rozkład i spalanie odpadów
organicznych, lotnych i stałych spalin z silników. Dodatkową zaletą jest to, że
zostają również usunięte inne zanieczyszczenia, takie jak lotne związki
organiczne, dioksyny, zanieczyszczenia kwaśne (HCl, HF, SO3).
Ciekawą perspektywę stanowi zastosowanie plazmy do oczyszczania
ścieków. Tak jak w przypadku oczyszczania wody pitnej, główne znaczenie zdaje
się mieć efektywne generowanie ozonu. Niestety nie jest to takie łatwe. Co
prawda udaje się rozłożyć szereg związków, które nie ulegają biodegradacji
w aktywnym złożu oczyszczalni ścieków, ale nadal wśród produktów procesu
obecne są aldehydy, kwasy karboksylowe, estry kwasów karboksylowych oraz
inne związki karbonylowe (ketony, chinony).
Słowa kluczowe: detoksykacja odpadów niebezpiecznych i zanieczyszczeń
powietrza, efektywne generowanie ozonu, dekontaminacja ścieków
38
Charakterystyka i zastosowanie puchu modyfikowanego
z zastosowaniem plazmy niskotemperaturowej
w odzieży alpinistycznej
Bartosz Małachowski, Adam Małachowski
Pracownia Sprzętu Alpinistycznego Małachowski
Od lat odzież puchowa i śpiwory stanowią fundamentalne wyposażenie
alpinistyczne. Zapewnienie ciepła podczas aktywności fizycznej w warunkach
klimatu zimnego przez odzież i śpiwory jest możliwe dzięki zastosowaniu
wypełnień puchowych zoptymalizowanych pod względem gramatury
wypełnienia. Eksploatacja w warunkach klimatu zimnego w zmiennych
warunkach atmosferycznych sprawiają, że wypełnienie puchowe ulega
zawilgoceniu. Powoduje to obniżenie parametrów termoizolacyjnych
i właściwości użytkowych.
Puch poddany obróbce plazmowej charakteryzuje się większą
hydrofobowością, co w znacznym stopniu poprawia właściwości użytkowe
i termoizolacyjne w klimacie zimnym.
W prezentacji przedstawiony będzie postęp we wdrażaniu technologii obróbki
plazmowej puchu oraz wyniki testowania tak zmodyfikowanego materiału.
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Badań
i Rozwoju w ramach projektu numer: PBS1/B9/16/2012.
Słowa kluczowe: nanotechnologia, puch naturalny, obróbka plazmowa,
hydrofobowość, termoizolacyjność
39
Spis autorów:
Bala Dorota
Balcerzak Jacek
Chlebda Damian
Chruściński Longin
Chrzan Magda
Dąbrowska Agnieszka
Gajewska Magdalena
Głowacka Anna
Grzesiak Barbara
Huczko Andrzej
Jaruga Izabella
Jodłowski Przemysław
Jóźwiak Łukasz
Kapica Ryszard
Kasza Magdalena
Kazimierski Piotr
Kierzkowska-Pawlak Hanna
Knapik Arkadiusz
Kolanowski Łukasz
Kołodziej Andrzej
Krawczyk Krzysztof
Krawczyk-Kłys Iwona
Kuberski Sławomir
Kubiczek Artur
Łojewska Joanna
Lota Grzegorz
Makowski Maciej
Małachowski Adam
Małachowski Bartosz
Markiewicz Justyna
Młotek Michał
Nazimek Dobiesław
Nogal Łukasz
Piwowarczyk Ewelina
Redzynia Wiktor
Sielski Jan
Skalska Kinga
Tracz Piotr
Tyczkowska-Sieroń Ewa
Tyczkowski Jacek
Ulejczyk Bogdan
Zbrowska Magdalena
30
13, 21, 29
18, 19, 20
34
18, 19, 20
37
10
9, 10
10
36
13
17, 18, 19, 20
29
13, 24
19
31
25
17
28
17, 24
15, 30, 33
13
38
31
17, 18, 19, 20, 24
27, 28
14
39
39
9, 11, 13
15, 30, 33
22
30
18, 19, 20
25
14, 31
23
25
9, 10
9, 13, 14, 24, 25, 28, 29, 31
15, 30, 33
30
40

Zimna Plazma jako narzędzie Inżynierii Molekularnej

Transkrypt

Podobne dokumenty